數(shù)控車床自動上下料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

本科論文目錄TOC\o"1-3"\h\u12983摘要 I16360Abstract II11141引言 1183851研究目標(biāo) 2193121.1數(shù)控車床自動上下料機械手的研究目的及意義 254391.2數(shù)控車床自動上下料機械手國內(nèi)外發(fā)展趨勢 2243862數(shù)控車床自動上下料機械手的設(shè)計方案 4231912.1機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計 4116262.1.1機械手的結(jié)構(gòu)類型 4132302.1.2數(shù)控車床自動上下料機械手結(jié)構(gòu)采用方案 4320312.2數(shù)控車床自動上下料機械手手部設(shè)計 5170902.2.1機械手手部的設(shè)計要求 5102152.2.2手爪結(jié)構(gòu)的采用方案 6170232.3數(shù)控車床自動上下料機械手腕部設(shè)計 741102.4數(shù)控車床自動上下料機械手手臂設(shè)計 874342.5數(shù)控車床自動上下料機械手機身機座設(shè)計 9276592.6數(shù)控車床自動上下料機械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 10226172.6.1驅(qū)動系統(tǒng)的分類 1056132.6.2驅(qū)動系統(tǒng)采用方案 12272412.7數(shù)控車床自動上下料機械手傳動設(shè)計 12182392.8數(shù)控車床自動上下料機械手定位與穩(wěn)定性設(shè)計 12235702.8.1影響定位精度及平衡的因素 12115282.8.2平衡機構(gòu)分類 1360232.8.3平衡機構(gòu)采用方案 13237643理性分析計算以及主要參數(shù)確定 14265643.1液壓傳動系統(tǒng)相關(guān)計算 14150723.1.1液壓系統(tǒng)方案選擇 1462623.1.2執(zhí)行元件的選擇 1489363.1.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計 14251233.1.4液壓傳動系統(tǒng)參數(shù)確定 15287153.1.5執(zhí)行元件計算 18278073.2電機的選擇以及參數(shù)計算 1998703.2.1電機參數(shù)計算 19169093.2.2電機選型 21199954數(shù)控車床自動上下料機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 2379324.1機械手的工作流程 23233374.2數(shù)控車床自動上下料機械手操作面板 2412387結(jié)論 254323參考文獻 265768致謝 28本科論文摘要本課題針對于數(shù)控車床而設(shè)計了結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型的自動上下料機械手。主要通過應(yīng)用CAD對數(shù)控車床自動上下料機械手液壓傳動原理、機械手整體以及部分零件的二維圖繪制，同時運用Solidworks對數(shù)控車床自動上下料機械手進行三維模型的繪制以及機械手運動仿真的制作。對機械手的傳動機構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)進行了理論分析和計算。同時對機械手整體結(jié)構(gòu)進行了詳細的設(shè)計，主要包括機械手的機身機座，機械手手臂，機械手手爪等部分。并分析了數(shù)控車床自動上下料機械手的操作流程，主要采用液壓缸、步進電機等元件實現(xiàn)機械手的運動部分。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床；機械手；傳動機構(gòu)；液壓系統(tǒng)；驅(qū)動系統(tǒng)；

AbstractMainlythroughtheapplicationofCADtothehydraulictransmissionprincipleoftheautomaticloadingandunloadingmanipulatoroftheCNClathe,thetwo-dimensionaldrawingofthewholeandpartofthemanipulator,andatthesametimeusingSolidworkstodrawthethree-dimensionalmodeloftheautomaticloadingandunloadingmanipulatoroftheCNClatheandtheproductionofthemanipulatormovementsimulation.Thetransmissionmechanism,drivesystem,hydraulicsystemandcontrolsystemofthemanipulatoraretheoreticallyanalyzedandcalculated.Atthesametime,theoverallstructureofthemanipulatorisdesignedindetail,mainlyincludingthebodybaseofthemanipulator,themanipulatorarm,themanipulatorclawandotherparts.AndanalyzedtheoperationprocessoftheautomaticloadingandunloadingmanipulatoroftheCNClathe,mainlyusinghydrauliccylinders,steppingmotorsandothercomponentstorealizethemovementpartofthemanipulator.Keywords:cnclathe;keywordsmanipulator;transmissionmechanism;hydraulicsystem;drivesystem引言機械手是在機械自動化生產(chǎn)過程中，通常用來夾持與運輸工件的一種裝置，屬于工業(yè)機器人的一種。隨著我國機械制造業(yè)，自動化的發(fā)展，工業(yè)機械手的研發(fā)也越來越引起大家的關(guān)注。機械手可以模仿并代替人類在特定的工作地點完成特殊要求的工作任務(wù)，例如在一些危險環(huán)境下的工作以及周期性重復(fù)無聊的工作，機械手都可以很好地代替人類將其完成，并且機械手在減輕工人勞動強度及危險的同時也可以提高勞動生產(chǎn)力。正是由于機械手的應(yīng)用十分廣泛，所以機械手的研發(fā)十分重要。但目前我國研制工業(yè)機器人的技術(shù)相比于國外還有待提高，但機械手的研制與生產(chǎn)直接影響到我國機械化，自動化的發(fā)展。所以本課題數(shù)控車床自動上下料機械手的研究有很大意義。1研究目標(biāo)1.1數(shù)控車床自動上下料機械手的研究目的及意義在機械自動化生產(chǎn)中，機械手是一種可以實現(xiàn)夾持工件的同時可以將工件翻轉(zhuǎn)并運輸工件的機械設(shè)備。目前，隨著電子科技尤其是電子計算機信息時代的發(fā)展，工業(yè)機器人的研發(fā)以及生產(chǎn)是興起的一門新型技術(shù)REF_Ref7052\n\h[1]。研發(fā)工業(yè)機器人以及工業(yè)機器人的大批量生產(chǎn)直接促進了機械手的發(fā)展，使得機械手可以很好的融進機械自動化生產(chǎn)當(dāng)中REF_Ref7486\n\h[2]，實現(xiàn)其余機械化，自動化的結(jié)合。機械手在機械自動化生產(chǎn)制造中也得到了廣泛的運用，如機械手在機械行業(yè)中可以實現(xiàn)工件的拼接與組裝，同時也可用于工件的夾持、運輸?shù)炔僮?，主要表現(xiàn)為機械手目前在自動化數(shù)控車床及組合車床上的使用越來越普遍REF_Ref3094\n\h[3]。本課題所研究的數(shù)控車床自動上下料機械手屬于工業(yè)機械手的一種，而工業(yè)機械手是機械自動化生產(chǎn)的必然產(chǎn)物REF_Ref3094\n\h[4]。機械手可以向人類手臂一樣工作，模仿并代替人類按照預(yù)定要求完成運輸工件以及夾持工件等作業(yè)。例如在一些危險環(huán)境下的工作以及周期性重復(fù)無聊的工作，機械手都可以很好地代替人類將其完成，并且機械手在減輕工人勞動強度及危險的同時也可以提高勞動生產(chǎn)力REF_Ref3159\n\h[5]。此外，工業(yè)機械手可以可以適應(yīng)人類無法工作的環(huán)境如溫差極大的車間或深水及具有放射性的環(huán)境，更能顯示其優(yōu)越性。正因如此，機械手在機械自動化生產(chǎn)制造中得到了廣泛的應(yīng)用，機械手有著廣闊的發(fā)展前途REF_Ref3218\n\h[6]。本課題研究的機械手與數(shù)控車床相結(jié)合形成生產(chǎn)線，使其可以完成工件的夾持，翻轉(zhuǎn)與運送等一系列加工過程，實現(xiàn)加工生產(chǎn)的自動化，無人化。本課題的研究主要為了滿足數(shù)控車床以及加工工廠的工件的裝卸，從而可以實現(xiàn)在減輕工人勞動強度以及節(jié)約加工時間的同時也可以提高工件的生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)力REF_Ref29839\n\h[7]。1.2數(shù)控車床自動上下料機械手國內(nèi)外發(fā)展趨勢機械手的研究早已成為國內(nèi)外研制的熱點，國內(nèi)外研發(fā)的情況和其未來走向如以下幾點：(1)機械結(jié)構(gòu)的模塊化發(fā)展。(2)節(jié)能化的發(fā)展。(3)傳感器的發(fā)展。(4)機械手重復(fù)高精度的發(fā)展。(5)機電一體化的發(fā)展。目前，中國的制造業(yè)發(fā)展日漸增大，但是如要實現(xiàn)機械設(shè)計制造自動化大業(yè)，機械手的研發(fā)是必不可少的。國外機械手的發(fā)展趨勢集中在智能機械手上。使它具有某些視覺和觸覺功能。目前也取得了一定的效果績效。隨著機械制造業(yè)的的發(fā)展，機械手的應(yīng)用越來越廣泛。并且機械手不僅在機械制造業(yè)應(yīng)用較廣，在其他領(lǐng)域如高科技領(lǐng)域中機械手也得到了廣泛應(yīng)用。2數(shù)控車床自動上下料機械手的設(shè)計方案2.1機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.1.1機械手的結(jié)構(gòu)類型工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要包括直角坐標(biāo)型機器人，圓柱坐標(biāo)型機器人，球坐標(biāo)型機器人，關(guān)節(jié)型坐標(biāo)機器人四種REF_Ref29940\n\h[8]。其對應(yīng)的特點如表2.1。表2.1工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)類型名稱空間運動結(jié)構(gòu)特點主要應(yīng)用直角坐標(biāo)型機器人三個直線運動自動控制、重復(fù)編程、多自由度、速度快、精度大、穩(wěn)定性高裝配機器人、搬運機器人圓柱坐標(biāo)型機器人一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動構(gòu)造簡單、精度一般、搬運機器人球坐標(biāo)型機器人兩個回轉(zhuǎn)運動以及一個直線運動結(jié)構(gòu)簡單、造價成本較低、精度較差搬運機器人關(guān)節(jié)型機器人三個回轉(zhuǎn)運動動作靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、焊接機器人、噴漆機器人、搬運機器人、直角坐標(biāo)型機器人結(jié)構(gòu)如圖2.1a，圓柱坐標(biāo)型機器人結(jié)構(gòu)如圖2.1b，球坐標(biāo)型機器人結(jié)構(gòu)如圖2.1c，關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)如圖2.1d。圖2.1機器人的四種坐標(biāo)結(jié)構(gòu)圖2.1.2數(shù)控車床自動上下料機械手結(jié)構(gòu)采用方案本課題結(jié)構(gòu)最終選擇圓柱坐標(biāo)型。因本課題所研究機械手自由度為3，包括兩個直線運動及一個回轉(zhuǎn)運動，共計三種運動方式。其中直線運動為手臂的升降及伸縮?；剞D(zhuǎn)運動為機械手機座的旋轉(zhuǎn)。選擇此結(jié)構(gòu)類型的好處是機械手手臂活動范圍較大且精度較高。并且其構(gòu)造簡單，易裝卸。本課題機械手工作布局如圖2.2，整體結(jié)構(gòu)造型如圖2.3。圖2.2機械手工作布局圖圖2.3機械手整體造型結(jié)構(gòu)圖2.2數(shù)控車床自動上下料機械手手部設(shè)計2.2.1機械手手部的設(shè)計要求機械手手爪與手腕相連接，屬于末端執(zhí)行器的一種，安裝在手腕末端。機械手手爪的種類可分為多種，以保證其可以適應(yīng)機器人在不同情況下進行不同的工作。例如末端執(zhí)行器用于搬運工件、加工工件和測量工件。當(dāng)需要搬運工件時，末端執(zhí)行器通常會選擇可夾持類機械手用來夾持被搬運的工件。當(dāng)加工工件時，末端執(zhí)行器通常選擇噴槍、焊槍等帶有加工工具的機器人，以便完成相應(yīng)工作。如需用測量，末端執(zhí)行器需要用來測量及檢驗工件，此時一般會選擇帶有測量儀器以及傳感器的裝置。本課題中的機械手手爪需要夾持工件搬運運輸?shù)炔僮?，屬于夾持類機器人末端執(zhí)行器。機械手手爪部位結(jié)構(gòu)應(yīng)有一定的夾緊力，保證可以夾緊工件，使工件牢固穩(wěn)定。而當(dāng)加持剛性低的工件時手爪夾緊力的大小應(yīng)該相應(yīng)的減小，以確保在夾持工件的過程中已加工表面完好，不會損壞。對于加持笨重過大的工件時手爪的設(shè)計可以考慮自鎖裝置，以便安全。本課題機械手手爪開閉范圍需夠大。在機械手工作時，其中一個手爪張開夾緊角度的最大變化量為開閉范圍。手爪開閉范圍的要求與工件的形狀以及尺寸等因素都有關(guān)聯(lián)。通常情況下，機械手手爪的開閉范圍越大越好，本課題機械手手爪開閉范圍如圖2.4。圖2.4機械手手爪開閉范圍圖工作時機械手手爪運動狀態(tài)較多。手爪的結(jié)構(gòu)，重量對于機械手整體重量，穩(wěn)定，運動速度等性能有一定影響。所以，機械手手部的設(shè)計需要結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。2.2.2手爪結(jié)構(gòu)的采用方案工業(yè)機器人手爪結(jié)構(gòu)一般分為楔塊杠桿式，平行杠桿式，齒輪齒條式，連桿杠桿式，滑槽式五種。楔塊杠桿式：利用楔塊與杠桿使機械手手爪可以張開及夾緊以用來夾持工件。平行杠桿式：此結(jié)構(gòu)截面為正四邊形，穩(wěn)定性好，并且不需要導(dǎo)軌來保證手爪的平行運動，這相對于其他結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力較小。齒輪齒條式：通過活塞運動使齒條運作，齒條會帶動齒輪進行旋轉(zhuǎn)，最終完成手爪的張開與閉合。連桿杠桿式：通過活塞推動，連桿和杠桿可以完成機械手手爪的張開或閉合，由于杠桿可以使力增大，連桿杠桿式手爪的夾持力也會相應(yīng)增大。此結(jié)構(gòu)與彈簧聯(lián)合使用較多?；凼剑和ㄟ^活塞向前運動，此時滑槽通過銷子使手爪完成張開閉合的動作以便于夾持工件，當(dāng)活塞向后運動時，手爪張開?；凼绞肿﹂_閉范圍較大，適合夾持大小不一的工件。結(jié)合具體的工作要求，綜上所述，本課題采用的是齒輪齒條式。通過活塞往返帶動齒條完成手爪張開或夾緊的動作。手爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計具體如圖2.5。圖2.5機械手手抓結(jié)構(gòu)三維圖2.3數(shù)控車床自動上下料機械手腕部設(shè)計機械手腕部為機械手手臂與機械手手爪聯(lián)結(jié)部分，即應(yīng)安裝在手臂末端。機械手腕部重量應(yīng)適當(dāng)減小，結(jié)構(gòu)應(yīng)緊湊，強度和剛度要夠，空回間隙應(yīng)減小以便于增加傳動精度。機械手手腕主要功能是可以使被夾持工件的方位產(chǎn)生變化，此時機械手手腕需做回轉(zhuǎn)運動，即只存在一個回轉(zhuǎn)自由度。結(jié)合本課題，本設(shè)計手腕不加自由度以便于機械手結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單。手腕結(jié)構(gòu)如圖2.6。圖2.6手腕二維結(jié)構(gòu)圖2.4數(shù)控車床自動上下料機械手手臂設(shè)計機械手的手臂是機械手的主要執(zhí)行部位。本課題中分垂直手臂及水平手臂兩種，垂直手臂主要作用為帶動機械手手部在空間的升降運動以及支撐機械手手腕和機械手手爪，水平手臂作用為帶動手部在空間的水平運動。機械手的手臂主要作用就是將機械手手爪送至空間某一點進行工作，機械手手腕及手爪的動靜載荷均由手臂承擔(dān)，而相關(guān)于手臂自由度較多，所以機械手手臂的受力相對于其他部分更為復(fù)雜。手部的位置精度即為機械手手臂的精度。導(dǎo)向裝置和定位方式對于機械手最終的精度尤其重要。以下原則對于機械手臂的設(shè)計有很大影響；(1)水平手臂應(yīng)保證互相平行；水平手臂以及垂直手臂中如有垂直的軸線，應(yīng)相交于一點以便于控制簡單。(2)機械手手臂的長度以及手臂的回轉(zhuǎn)角度對于機械手整體工作的空間有一定的影響，所以機械手手臂的結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計應(yīng)適應(yīng)機械手整體的工作范圍。(3)在保證其強度及剛度的同時，機械手臂的重量應(yīng)適當(dāng)減小為了機械手的運動速度與控制精度。(4)機械手手臂的設(shè)計應(yīng)盡可能保證其平衡性穩(wěn)定性，如可以在手臂結(jié)構(gòu)上設(shè)計帶有緩沖能力的機械擋塊，以便于減少發(fā)動機負(fù)荷，同時它可以提高手臂移動時的反應(yīng)速度。(5)夾持工件重量。結(jié)合以上因素，考慮到操縱器在工作中的穩(wěn)定性和安全性，將兩個平行的導(dǎo)向桿添加到該對象的水平框架中，使其與運動活塞桿截面形成等腰三角形結(jié)構(gòu)如圖2.7，以保證其結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定牢靠。垂直手臂添加四個導(dǎo)桿其截面為正四邊形如圖2.8，每個導(dǎo)桿都選用空心結(jié)構(gòu)以保證機械手整體重量。添加此導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)主要原因是可以保證機械手整體穩(wěn)定。圖2.7機械手水平手臂結(jié)構(gòu)圖圖2.8機械手垂直手臂結(jié)構(gòu)圖2.5數(shù)控車床自動上下料機械手機身機座設(shè)計機械手機座包括腰部和底座兩部分組成。它是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，機械手手臂的運動以及手腕手抓的運動都安裝在在機械手機座上，故機械手整體的重量均由機座承擔(dān)。所以在設(shè)計機器人機座結(jié)構(gòu)時，要注意以下設(shè)計原則：機械手的機座部分底座截面需要足夠大以保證機械手整體工作時的穩(wěn)定。同時底座需要一定承載能力以保證可以承受機械手整體重量。且其結(jié)構(gòu)裝卸要方便。本課題腰座部分的回轉(zhuǎn)運動通過電機驅(qū)動實現(xiàn)。即可以保證其精度也使其結(jié)構(gòu)簡單，易控制。機身機座結(jié)構(gòu)如圖2.9所示：圖2.9機械手機座結(jié)構(gòu)圖2.6數(shù)控車床自動上下料機械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計2.6.1驅(qū)動系統(tǒng)的分類工業(yè)機器人應(yīng)用較多的三種驅(qū)動系統(tǒng)為液壓驅(qū)動系統(tǒng)、氣壓驅(qū)動系統(tǒng)以及電機驅(qū)動系統(tǒng)。如有其他需求，通常會選擇三種驅(qū)動方式的組合，這是一個復(fù)雜的驅(qū)動系統(tǒng)即復(fù)合式驅(qū)動系統(tǒng)。其特點如下：(1)液壓驅(qū)動系統(tǒng)控制力以及控制力拒大、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等均為液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點。但其效率較低，不如電機驅(qū)動。并且液體易泄露，難維修。多適用于承載能力大及需進行防爆工作的裝置中。液壓驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖2.10所示。圖2.10液壓系統(tǒng)原理圖(2)氣壓驅(qū)動系統(tǒng)構(gòu)造簡單，裝卸簡易、成本較低等為氣壓驅(qū)動特征。氣動系統(tǒng)的缺點在于難以實現(xiàn)伺服控制，大多數(shù)適用于中小負(fù)荷以及需要程序控制的工業(yè)機器人中。氣壓驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖2.11。圖2.11氣壓系統(tǒng)原理圖(3)電動驅(qū)動系統(tǒng)電動驅(qū)動系統(tǒng)因不需要能量轉(zhuǎn)換，易操作，低噪音等特點很受歡迎。但是某些電機在要求防爆的工作環(huán)境中不可使用，其成本略高。但因為此系統(tǒng)優(yōu)點突出，所以應(yīng)用較為廣泛。電機驅(qū)動系統(tǒng)原理如圖2.12。圖2.12電動系統(tǒng)原理圖根據(jù)工業(yè)機器人的用途、作業(yè)要求以及機器人的性能，控制功能，維修是否復(fù)雜選擇不同的驅(qū)動系統(tǒng)，同時也需要考慮其運行時的能量消耗及工作環(huán)境條件等因素。綜合考慮各個因素選擇合適的驅(qū)動系統(tǒng)是必要的。2.6.2驅(qū)動系統(tǒng)采用方案具體到本設(shè)計，綜合考慮以上因素，本課題機械手機座為回轉(zhuǎn)運動，采用步進電機驅(qū)動最優(yōu)，機械手水平手臂和垂直手臂選用液壓驅(qū)動最優(yōu)。2.7數(shù)控車床自動上下料機械手傳動設(shè)計本課題中機械手手臂運動均采用液壓驅(qū)動。故該部分不采用傳動結(jié)構(gòu)，即簡化了機械手結(jié)構(gòu)，也有利于提高機械手整體的精度。本課題機械手機座部分選擇了電機驅(qū)動，則需要通過傳動機構(gòu)進行減速。經(jīng)分析比較，本課題選擇圓柱齒輪傳動。2.8數(shù)控車床自動上下料機械手定位與穩(wěn)定性設(shè)計2.8.1影響定位精度及平衡的因素定位方式、速度、剛度、運動件重量以及驅(qū)動源等因素對機械手整體的平衡以及穩(wěn)定都會產(chǎn)生一定影響。如定位方式選擇機械擋塊定位，其擋塊的強度度以及與擋塊碰撞時速度的大小等都有關(guān)聯(lián)。速度對定位精度也有較大影響如，速度過快或過慢都會影響最終精度，所以控制其速度可以適當(dāng)減小最后的精度誤差。剛度對機械手整體結(jié)構(gòu)的影響在于如接觸剛度較低，易振動，此時定位精度一般較低。運動件重量對定位精度的影響在于如運動件重量變大時，定位精度會相應(yīng)減小，機械手整體以及被夾持工件均屬于運動件。合理控制運動件本重量以及機械手工作時被夾持工件重量是必要的。驅(qū)動源包括液壓、氣壓、電壓、油溫等。驅(qū)動源產(chǎn)生變化時，重復(fù)定位精度會隨之產(chǎn)生變化。所以穩(wěn)壓及控制油溫是重要的。結(jié)合上述因素，本設(shè)計最終采用的定位方式為為機械擋塊定位。2.8.2平衡機構(gòu)分類彈簧平衡機構(gòu)，活塞推桿平衡機構(gòu)，配重平衡機構(gòu)三類為目前工業(yè)機器人常用的三種平衡機構(gòu)的形式REF_Ref31942\n\h[12]。彈簧平衡機構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、穩(wěn)定性好等特點，應(yīng)用較為廣泛?；钊茥U平衡機構(gòu)分為液壓和氣動兩種，兩種均具有較好的阻尼作用，但液壓平衡系統(tǒng)體積較小，氣動平衡系統(tǒng)體積較大?；钊狡胶庀到y(tǒng)復(fù)雜，價格較高，裝卸及維修難度也較高，但是平衡效果較好。一般用于配重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合REF_Ref30646\n\h[13]。配重平衡機構(gòu)平衡效果一般，但其機構(gòu)簡單，較為穩(wěn)定。2.8.3平衡機構(gòu)采用方案本課題選擇通過合理設(shè)計結(jié)構(gòu)以保證手臂本身達到平衡。因在設(shè)計機械手手臂結(jié)構(gòu)以及整個機械手設(shè)計和布局的過程中已著重考慮了機械手手臂的平衡問題，為使機械手整體結(jié)構(gòu)簡單，故不采用平衡機構(gòu)。3理性分析計算以及主要參數(shù)確定3.1液壓傳動系統(tǒng)相關(guān)計算3.1.1液壓系統(tǒng)方案選擇液壓傳動系統(tǒng)主要包括液壓缸以及液壓馬達，液壓缸多用來實現(xiàn)直線運動如機械手手臂的升降及伸縮。液壓馬達多用于實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動如腰座的回轉(zhuǎn)。其對應(yīng)特點及適用環(huán)境見表3.1。表3.1液壓缸以及液壓馬達的特點及適用場合名稱特點適用環(huán)境雙活塞液壓缸雙向?qū)ΨQ雙向工作的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柱塞缸結(jié)構(gòu)簡易單向工作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(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩大低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動本課題選擇采用單活塞液壓缸來實現(xiàn)機械手垂直手臂及水平手臂的往復(fù)運動，因為本課題機械手整體結(jié)構(gòu)形式為圓柱坐標(biāo)型，即為一個回轉(zhuǎn)運動和兩個直線運動，其中回轉(zhuǎn)運動選擇電機驅(qū)動實現(xiàn)，故不采用液壓傳動。3.1.2執(zhí)行元件的選擇液壓驅(qū)動器的選擇主要基于如何控制運動的方向和速度。通常，方向控制可以通過換向閥實現(xiàn)。對于低流量液壓系統(tǒng)，通常選擇方向閥的有機組合。對于高流量液壓系統(tǒng)，通常選擇插裝閥和先導(dǎo)單向閥。運動速度控制方式有多種，如節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速或容積節(jié)流調(diào)速等。其核心就是通過改變流量的輸入與輸出。本課題選擇通過電磁換向閥改變方向，通過節(jié)流調(diào)整速度，調(diào)速選用節(jié)流閥來實現(xiàn)。3.1.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計液壓系統(tǒng)工作核心元件為液壓泵，液壓泵主要負(fù)責(zé)提供液壓源以保證液壓系統(tǒng)可以正常工作。本課題液壓系統(tǒng)中選擇定量泵供油實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速，由于本課題沒有其他輔助油源，故本課題中液壓系統(tǒng)的需油量應(yīng)小于液壓泵的供油量，多余的油需經(jīng)溢流閥流回油箱，同時溢流閥也可起到控制穩(wěn)定油源壓力的作用REF_Ref32089\n\h[14]。液壓傳動系統(tǒng)中，凈化裝置的安裝是必要的。其目的是為防止雜質(zhì)進入系統(tǒng)，污染油源，可以在回油途徑中設(shè)置過濾器，起到凈化過濾油源的作用。也可以根據(jù)液壓系統(tǒng)所處工作環(huán)境，考慮加熱、冷卻等措施以保證油源干凈REF_Ref10181\n\h[15]。本課題的液壓系統(tǒng)選擇定量泵供油，為了保證液壓油無雜質(zhì)摻進，選擇在油泵入口添加粗過濾器，在其的出口安裝精過濾器凈化。本課題的液壓傳動系統(tǒng)如圖3.1，其中包括垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮，以及機械手手爪的張開閉合三個執(zhí)行機構(gòu)。圖3.1液壓傳動系統(tǒng)圖3.1.4液壓傳動系統(tǒng)參數(shù)確定液壓傳動系統(tǒng)的參數(shù)包括壓力和流量。壓力取決于外載荷，流量決定于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸REF_Ref32177\n\h[16]。(1)液壓缸所受的總機械載荷為：(3-1)式中，為外載荷，由于水平方向無外載荷所以取為0；為活塞上所受的慣性力；為密封阻力；為導(dǎo)向裝置的摩擦阻力；為回油被壓形成的阻力；的計算：(3-2)式中，為液壓缸所要移動的總重量，取為；為重力加速度，??；為速度變化量；為啟動或制動時間，一般為。將各值帶入上式，得：的計算：(3-3)式中，為克服液壓缸-密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力，查相關(guān)手冊??；為進油工作腔有效面積；啟動時：運動時：的計算本課題中添加了導(dǎo)桿機構(gòu)，導(dǎo)桿機構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力為(3-4)式中，為機械手和所操作工件的總重量，取為；為摩擦系數(shù)，??；帶入數(shù)據(jù)計算得：的計算回油背壓形成的阻力按下式計算(3-5)式中，為回油背壓，一般為為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2；將各值帶入上式有，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。(2)手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算手爪要能抓起工件需要滿足：式中，夾持力；為安全系數(shù)，一般??；為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按估算，為機械手在搬運工件過程的加速度，，為重力加速度；為方位系數(shù)，查表選??；為被夾持工件的重量；帶入數(shù)據(jù)，計算得：；(3)理論驅(qū)動力的計算:(3-6)式中，為柱塞缸所需理論驅(qū)動力；為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點的垂直距離；為扇形齒輪分度圓半徑；為手指夾緊力；齒輪傳動機構(gòu)的效率，此處選為0.92；其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得：計算驅(qū)動力計算公式為：(3-7)式中，為計算驅(qū)動力；為安全系數(shù)，；為工作條件系數(shù)，；其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計算得：而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有式中，柱塞缸工作油壓；為柱塞截面積；經(jīng)計算，所需的油壓約為：(4)液壓缸參數(shù)確定機械手手爪、水平手臂、垂直手臂液壓缸參數(shù)見表3.2、表3.3以及表3.4。表3.2手爪執(zhí)行柱塞缸參數(shù)缸內(nèi)徑壁厚直徑行程工作壓力20520803~6表3.3水平液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑壁厚直徑行程工作壓力6010254001表3.4垂直液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑壁厚直徑行程工作壓力60102510013.1.5執(zhí)行元件計算(1)液壓泵相關(guān)計算液壓泵工作壓力為(3-8)式中為計算工作壓力，前以定為；為對于進油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為，這里取為。因此，可以確定液壓泵的實際工作壓力為確定液壓泵的流量(3-9)式中，為泄露因數(shù)，取1.1；為機械手工作時最大流量。確定液壓泵電機的功率(3-10)為最大運動速度下所需的流量??；液壓泵實際工作壓力；為液壓泵總效率，取0.8；帶入數(shù)據(jù)計算得：(2)油管及油箱的相關(guān)計算及選擇通過查閱機械設(shè)計手冊，最終液壓泵出口流量以計，選??；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇；其余都選為；確定油箱的容量，一般取泵流量的倍，這里取為5倍，有效容積為3.2電機的選擇以及參數(shù)計算3.2.1電機參數(shù)計算當(dāng)傳動負(fù)載作直線運動時：負(fù)載額定功率：(3-11)負(fù)載加速功率：(3-12)負(fù)載力矩（折算到電機軸）：(3-13)負(fù)載（折算到電機軸）：(3-14)起動時間：(3-15)制動時間：(3-16)當(dāng)傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運動時：負(fù)載額定功率：(3-17)負(fù)載加速功率：(3-18)負(fù)載力矩（折算到電機軸）：(3-19)負(fù)載GD（折算到電機軸）：(3-20)起動時間：(3-21)制動時間：(3-22)式中，為額定功率，；加速功率，；負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，；電機軸回轉(zhuǎn)速度，；負(fù)載的速度，；減速機效率；摩擦系數(shù)；負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），；電機啟動最大轉(zhuǎn)矩，；負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機軸上），；負(fù)載的，；負(fù)載（折算到電機軸上），；電機的，。本課題中機座腰部回轉(zhuǎn)運動為電機驅(qū)動，傳動形式取第二種回轉(zhuǎn)運動。計算過程如下：已知公式：(3-23)式中，為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005；為機械手本身與負(fù)載的重量之和，??；為回轉(zhuǎn)軸上傳動大齒輪分度圓半徑,；帶入數(shù)據(jù)，計算得同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為；傳動比定為1/120；且，帶入數(shù)據(jù)得：將其帶入上述公式得：啟動時間；制動時間；折算到電機軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：。3.2.2電機選型根據(jù)計算結(jié)果，綜合考慮各種因素，通過查閱《機械手冊》，最終本課題選用型號為110BYG550B-SAKRMA-0301的步進電機，此電機轉(zhuǎn)矩較高，振動較低，綜合性能較好。該電機技術(shù)參數(shù)以及參數(shù)曲線見表3.2及圖3.2。表3.5電機技術(shù)參數(shù)型號相數(shù)步距角(°)靜態(tài)相電流(A)相電阻()相電感()保持轉(zhuǎn)矩()定位轉(zhuǎn)矩()空載啟動頻率()重量()轉(zhuǎn)動慣量()110BYG550B-SAKRMA-030150.36/0.72230.710.080.53.56.49700圖3.2電機參數(shù)曲線圖4數(shù)控車床自動上下料機械手控制系統(tǒng)設(shè)計4.1機械手的工作流程本課題所研究的數(shù)控車床自動上下料機械手一個工作周期為第一步為夾緊工件，然后裝入車床完成上料，再經(jīng)車床加工后從卡盤取出工件完成下料。機械手一個工作流程主要包括垂直手臂升降、水平手臂伸縮、機身機座回轉(zhuǎn)以及手爪開閉四種運動模式。其中手臂運動采用液壓缸的方式，垂直運動方向通過電磁換向閥改變。水平運動方向采用電液伺服閥、伺服驅(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器所組成的回路改變。手爪的開閉采用柱塞缸與齒輪來實現(xiàn)。機械手的工作流程如圖4.1所示：圖4.1數(shù)控車床上下料機械手工作流程圖機械手從原點開始，水平手臂前伸到達指定位置后，水平手臂前伸停止，垂直手臂下降，下降同時張開機械手手爪，下降到達指定位置后，下降停止，同時手爪閉合夾持工件，接著垂直手臂向上運動，到達指定位置后，運動停止；機械手機座逆時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)過90度到達位置后，停止轉(zhuǎn)動；然后垂直手臂需下降到卡盤中心位置停止，機械手完成定位，水平手臂收回，將工件裝入卡盤；完成裝件后，卡盤收緊，機械手手爪張開，然后垂直手臂向上運動到達位置后上升停止；機械手機座順時針轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)過90度到達位置后轉(zhuǎn)動停止，此時機械手回到原點待命，車床進行加工。數(shù)控車床完成工件加工，機械手接到下料命令后，機械手機座逆時針旋轉(zhuǎn)90度后停止，垂直手臂向下運動到指定位置后停止，手爪閉合夾持住已加工工件，車床卡盤打開，水平手臂前伸取出工件，垂直手臂向上運動到達位置后停止，機座順時針旋轉(zhuǎn)90度到達位置后停止；垂直手臂向下運動到達位置后停止，手爪張開，將工件放入指定位置后，垂直手臂繼續(xù)向上運動，到達位置后停止，手爪閉合，最后機械手水平手臂向后伸縮，到達位置后縮停止，機械手回到原點，上下料過程結(jié)束REF_Ref32762\n\h[17]。4.2數(shù)控車床自動上下料機械手操作面板本課題理想操作面板如圖4.2所示。工作方式分為手動與自動。手動：通過按鈕控制。如工作方式選為手動，運動方式選為升降，此時按下啟動，垂直手臂上升；按下停止，垂直手臂下降?；蜻\動方式選為伸縮，按下啟動，水平手臂向前伸縮，按下停止，水平手臂向后伸縮。同理，運動方式選為正逆旋轉(zhuǎn)，按下啟動，機座順時針轉(zhuǎn)動，按下停止，機械手逆時針轉(zhuǎn)動REF_Ref157\n\h[18]。圖4.2機械手操作面板圖自動：按下啟動鍵，機械手將從原點開始自動完成循環(huán)動作。按下停止鍵，機械手將繼續(xù)完成一次循環(huán)動作后停止，最后再次回到原點位置。結(jié)論本課題的研究具有一定針對性以及明確目標(biāo)。通過本課題可以體現(xiàn)出我作為機械設(shè)計制造及自動化專業(yè)生的專業(yè)精神，并且在設(shè)計過程中，增強了自己的發(fā)現(xiàn)問題并解決問題的能力同時也增加了自己的實踐動手能力。本課題主要闡述了數(shù)控車床自動上下料機械手的研究目的及意義以及機械手未來的發(fā)展趨勢，同時本課題完成了對于數(shù)控車床自動上下料機械手三維造型的設(shè)計以及機械手傳動結(jié)構(gòu)，驅(qū)動系統(tǒng)以及定位穩(wěn)定性的設(shè)計。本課題研究的數(shù)控車床自動上下料機械手結(jié)構(gòu)形式以及控制系統(tǒng)的設(shè)計相對簡單，綜合性價比很高。本課題所研究的機械手可以實現(xiàn)與數(shù)控車床的配合，完成了車床加工過程中的自動化、無人化。本次畢業(yè)設(shè)計達到了預(yù)期目標(biāo)。

參考文獻李海雁.氣動在機械手中的應(yīng)用[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2014,(19)：39-40王軍義.淺談利用PLC控制自動機械裝[J].卷宗,2014,(6)：302武帥.數(shù)控機床上下料機械手設(shè)計的目的和發(fā)現(xiàn)趨勢[J].環(huán)球市場,2018,000(002)：379袁川來,胡燦,楊劍波.基于液壓驅(qū)動的數(shù)控機床上下料機械手的設(shè)計與研究[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2014,028(003)：20-23王相如.淺析工業(yè)機械手的定位平穩(wěn)性與運動緩沖[J].科技致富向?qū)?2011,(11)：416,384王榮華.基于西門子PLC的小型搬運機械手控制系統(tǒng)設(shè)計[J].環(huán)球市場,2015(4)：23-24王新煒.自動棒料輸送機在數(shù)控車床中的應(yīng)用[J].金屬加工(冷加工),2008(12)：44-45胡景镠.機器人的典型機械結(jié)構(gòu)類型有哪些[J].機器人技術(shù)與應(yīng)用,2000(01)：29-30佚名.直角坐標(biāo)機器人的設(shè)計方法[J].自動化信息,2009(9)：89-90汪成龍,趙春翔,金京.基于平行機構(gòu)的簡便機器人運動學(xué)逆解算法[J].紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報,2005(02)：81-84馬曉薇.工業(yè)機器人在汽車智能制造生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].環(huán)球市場,2018,000(024)：374樊炳輝,蘇學(xué)成,李貽斌,徐國華.機器人手臂的新型彈簧平衡機構(gòu)[J].中國機械工程,1994(05)：20-21葉月影,林添良,任好玲.基于平衡油缸的勢能液壓式存儲和再利用研究[J].液壓與氣動,2018,000(001)：71-77嚴(yán)國英.定量泵液壓系統(tǒng)的節(jié)能[J].節(jié)能技術(shù),1988(06)：14-16周天文,陳秀娟.新型鋁卷翻轉(zhuǎn)機液壓驅(qū)動伺服系統(tǒng)設(shè)計及動態(tài)特性分析[J].機械與電子.2013,(08)：42-46張波,李衛(wèi)民,尚銳.多功能上下料用機械手液壓系統(tǒng).2002,(8)：31-32楊玉貴,彭光正,王濤.具有固定重力補償?shù)哪：庖逷D控制在氣動人工肌肉驅(qū)動機械手位置控制中的應(yīng)用[J].機器人,2008(03)：69-73葉愛芹,袁金強.PLC在機械手控制系統(tǒng)中的應(yīng)用.安徽技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報.2001,15卷(4)：64-65致謝在這次畢業(yè)設(shè)計中，從最初的選題定題到論文的撰寫再到最后的論文定稿，總共花費了近兩個月的時間，本論文從選題定題到論文的完成都是在吳太玉老師及朱照澤老師的細心教導(dǎo)下完成的。老師每一次的指導(dǎo)都傾注了老師大量的心血。所以在此我首先要感謝我的指導(dǎo)老師吳太玉以及朱照澤老師，感謝老師們在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時也要感謝老師們在思想上對我的關(guān)心及照顧。路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索，畢業(yè)論文的完成也意味著大學(xué)四年生活的結(jié)束，四年以來，我很欣慰可以遇到這么多良師益友，四年后的我也將帶著所學(xué)知識，開闊的視野步入社會，走上人生另一個重要旅程，對于培養(yǎng)我四年的學(xué)校沈陽城市學(xué)院也有許多我?guī)Р蛔叩那啻号c回憶，因此對于綠島，我心存感激，感謝綠島陪伴了我最后四年的學(xué)生生涯，此為我一生之幸運。其次感謝的是我的父母，父母之愛子則為之計深遠。十余載的求學(xué)之路是父母在我背后默默的支持與付出與無微不至的照顧，所以在此機會我要特別感謝我的父母，感謝他們含辛茹苦把我養(yǎng)育大，父母無私的愛也是我在前進道路上源源不斷的動力。最后我要向在百忙之中對本文進行審閱以及對本人進行答辯的老師們表示感謝。

論文的研究方法和手段有哪些

（1）調(diào)查法

調(diào)查法是科學(xué)研究中最常用的方法之一。它是有目的、有計劃、有系統(tǒng)地搜集有關(guān)研究對象現(xiàn)實狀況或歷史狀況的材料的方法。一般是通過書面或口頭回答問題的方式獲得大量數(shù)據(jù)，進而對調(diào)查中收集的大量數(shù)據(jù)進行分析、比較、總結(jié)歸納，為人們提供規(guī)律性的知識。

（一）典型例子

調(diào)查法中最典型的例子是問卷調(diào)查法。它是通過書面提問收集信息的一種方法，即調(diào)查人員編制調(diào)查項目表，分發(fā)或郵寄給相關(guān)人員，詢問答案，然后收集、整理、統(tǒng)計和研究。

（二）研究步驟

1.確定調(diào)查課題

確定題目時要注意選題是否具有研究的必要性和可能性，同時要注意選題切忌太大，也要避免無意義的重復(fù)勞動。

2.制定調(diào)查計劃

要明確調(diào)查課題、調(diào)查目的、調(diào)查對象、調(diào)查范圍、調(diào)查手段、調(diào)查步驟、時間安排。

3.收集材料

收集材料時要盡可能保持材料的客觀性，盡可能采取多種手段或途徑。

4.整理材料

將收集到的材料進行整理，以便后續(xù)總結(jié)歸納、形成結(jié)論。

5.總結(jié)研究

對整理完的材料進行分析、總結(jié)、歸納，得出一般性的結(jié)論。

（三）特點

調(diào)查法相對其他研究方法來說較為耗時耗力，但也有其優(yōu)勢，即獲得的一手資料信息真實具體，能夠?qū)ρ芯繉ο笥懈訙?zhǔn)確、清晰的認(rèn)識。

（2）觀察法

觀察法是指人們有目的、有計劃地通過感官和輔助儀器，對處于自然狀態(tài)下的客觀事物進行系統(tǒng)考察，從而獲取經(jīng)驗事實的一種科學(xué)研究方法。

（一）典型例子

皮亞杰的兒童認(rèn)知發(fā)展理論就是通過觀察法提煉總結(jié)出來的；兒童心理學(xué)創(chuàng)始人——普萊爾，也是在一次次地使用觀察法后，提出了兒童心理學(xué)領(lǐng)域中的諸多理論。

（二）研究步驟

1.明確觀察對象

在選擇和確定研究問題的基礎(chǔ)上確定觀察者與觀察對象。

2.制定觀察計劃

在觀察計劃中要規(guī)定明確的觀察目的、重點、范圍以及要搜集的材料。

3.做好觀察準(zhǔn)備

觀察準(zhǔn)備是否充分，往往影響觀察的成敗。

4.做好記錄

在觀察過程中要時時記錄，不放掉任何一個關(guān)鍵信息。

（三）特點

觀察法具有拓展人們的感性知識、啟發(fā)思想等優(yōu)點，但是由于其強調(diào)研究要在自然環(huán)境下進行，且不允許摻雜個人的偏見，確為實際操作帶來了一定困難。

（3）實驗法

實驗法是指經(jīng)過精心設(shè)計，在高度控制的條件下，通過操縱某些因素，從而發(fā)現(xiàn)變量間因果關(guān)系以驗證預(yù)定假設(shè)的研究方法。核心在于對所要研究的對象在條件方面加以適當(dāng)?shù)目刂?，排除自然狀態(tài)下無關(guān)因素的干擾。

（一）典型例子

采取實驗法的一個典例是羅森塔爾效應(yīng)的提出，美國心理學(xué)家羅森塔爾和L.雅各布森通過對小學(xué)生進行“未來發(fā)展趨勢測驗”，發(fā)現(xiàn)人們對他人行為的期望通?？梢詫?dǎo)致他人向期望方向改變。

（二）研究步驟

1.發(fā)現(xiàn)并提出問題

2.收集與問題相關(guān)的信息

3.作出假設(shè)

4.設(shè)計實驗方案

5.實施實驗并記錄