數(shù)控機(jī)床機(jī)械手上下料設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床機(jī)械手上下料設(shè)計(jì)

目錄

第1章前言.................................1

1.1選題背景.1

1.2設(shè)計(jì)目的.1

第2章機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì).3

2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì).3

2.1.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型.3

2.1.2具體設(shè)計(jì)方案.4

2.2機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).4

2.2.1設(shè)計(jì)要求.4

2.2.2驅(qū)動方式.5

2.2.3典型結(jié)構(gòu).5

2.2.4具體設(shè)計(jì)方案.6

2.3機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).7

2.3.1手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求.7

2.3.2具體設(shè)計(jì)方案.7

2.4機(jī)械手手臂構(gòu)的設(shè)計(jì).3

2.4.1手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求.8

2.4.2具體設(shè)計(jì)方案.8

2.5機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).9

2.5.1腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求.9

2.5.2具體設(shè)計(jì)方案.9

2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì).10

2.6.1傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題.10

2.6.2常用的傳動機(jī)構(gòu)形式.10

2.6.3具體設(shè)計(jì)方案.II

2.7機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì).12

2.7.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其恃點(diǎn).12

2.7.2具體設(shè)計(jì)方案.12

2.8機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì).12

2.8.1平衡機(jī)構(gòu)的形式.12

2.8.2具體設(shè)計(jì)方案.13

第3章理論分析與設(shè)計(jì)計(jì)算.14

3.1電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算.14

3.1.1有關(guān)參數(shù)的計(jì)算.14

3.1.2電機(jī)型號的選擇.16

3.2液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算.18

3.2.1確定液壓系統(tǒng)基本方案.18

3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動操縱回路.19

3.2.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì).19

3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖.20

3.2.5確定液壓系統(tǒng)的要素參數(shù).21

3.2.6計(jì)算與選擇液壓元件.26

第4章機(jī)械手操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì).28

4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).28

4.1.1操作面板布置.28

4.1.2工藝過程與操縱要求.28

4.1.3作業(yè)流程.29

414操縱器的選型.20

4.1.5操縱系統(tǒng)原理分析.31

4.1.6PLC外部接線設(shè)計(jì).31

4.1.7I/O地址分配.32

4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).33

4.2.1操縱主程序流程圖.33

4.2.2操縱程序設(shè)計(jì).34

結(jié)論.51

致謝..................................52

第一章前言

1.1選題背景

1.2設(shè)計(jì)目的

1.3進(jìn)展現(xiàn)狀與趨勢

目前，國內(nèi)外各類機(jī)械手與機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀與

大體趨勢如下：

一,機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化進(jìn)展。

三.機(jī)械手中的傳感器作用日益重要，除使用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感

器外，還引進(jìn)了視覺、聽覺、接觸覺傳感器，使其向智能化方向進(jìn)展。

四.關(guān)節(jié)式、側(cè)噴式、頂噴式、龍門式噴涂機(jī)械手產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊化、

系列化設(shè)計(jì)；柔性仿形噴涂機(jī)械手開發(fā)，柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)開發(fā)，仿形伺服軸軌

跡規(guī)劃研究，操縱系統(tǒng)開發(fā)；

五.焊接、搬運(yùn)、裝配、切割等作業(yè)的工業(yè)機(jī)械手產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化、模塊

化、系列化研究；與離線示教編程與系統(tǒng)動態(tài)仿真。

總的來說，大體是兩個方向：其一是機(jī)械手的智能化，多傳感器、多操縱器，

先進(jìn)的操縱算法，復(fù)雜的機(jī)電操縱系統(tǒng)；其二是與生產(chǎn)加工相聯(lián)系，性價比高，

在滿足□:作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、簡潔、可靠，大量使用工業(yè)操縱器，

市場化、模塊化的元件。

第二章機(jī)械手各部件的設(shè)計(jì)

2.1機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)

2.1.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類型

工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式要緊有四種：直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，圓柱坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)結(jié)構(gòu)

與關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點(diǎn)，分別介紹如下：

1.直角坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

直角坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用三個相互垂直的直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖2-1,ao

由于直線運(yùn)動易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置操縱，因此，其運(yùn)動位置精度高，但此種類

型機(jī)械手的運(yùn)動空間相對較小，如要達(dá)到較大運(yùn)動空間，則要求機(jī)械手的尺寸足

夠大。直角坐標(biāo)機(jī)械手的工作空間為一空間長方體，要緊用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作

業(yè)。直角坐標(biāo)機(jī)械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結(jié)構(gòu)。

2.圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

圓柱坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是用一個回轉(zhuǎn)運(yùn)動及兩個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖

2-1.bo其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機(jī)械手構(gòu)造比較簡單，精度相對

較高，常用于搬運(yùn)作業(yè)。

3.球坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

球坐標(biāo)機(jī)械手的空間運(yùn)動是由兩個回轉(zhuǎn)運(yùn)動與一個直線運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的，如圖

2-1.Co其工作空間是一個類球形的空間。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但

精度不很高，要緊應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。

4.關(guān)節(jié)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

關(guān)節(jié)型機(jī)械手的空間運(yùn)動是由三個回轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)的，如圖2?1.d。相對機(jī)械手本

體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。此種機(jī)械手在

工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)。關(guān)節(jié)型機(jī)械手又分為

水平關(guān)節(jié)型與垂直關(guān)節(jié)型兩種。

a直角坐標(biāo)型b圓柱坐標(biāo)型二更坐標(biāo)量出關(guān)節(jié)些

圖2-1

2.1.2具體使用方案

如圖2-2所示機(jī)械手模擬工作布局圖，根據(jù)實(shí)際操作的需要，該機(jī)械手在工作中

需要3種運(yùn)動，其中手臂的伸縮與立柱升降為直線運(yùn)動，另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動,

因此其自由度數(shù)目為3,綜合考慮，應(yīng)選擇圓柱坐標(biāo)機(jī)械手結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)簡單，

工作范圍相對較大，且有較高的精度，滿足設(shè)計(jì)要求。

機(jī)械手工作布局圖

圖2-2

2.2機(jī)械手手爪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1設(shè)計(jì)要求

手爪是用來進(jìn)行操作及作業(yè)的裝置，其種類很多根據(jù)操作及作業(yè)方式的不一致,

分為搬運(yùn)用、加工用、測量用等。搬運(yùn)用手爪是指各類夾持裝置，用來抓取或者

吸附被搬運(yùn)的物體；加工用手爪是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銃刀等加工工具的機(jī)

械手附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)；測量用手爪是裝有測量頭或者傳感器

的附加裝置，用來進(jìn)行測量及檢驗(yàn)作業(yè)。

機(jī)械手手爪設(shè)計(jì)有如下要求：

1、機(jī)械手手爪是根據(jù)機(jī)械手作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。既根據(jù)其應(yīng)用場合設(shè)計(jì)手爪，

在滿足作業(yè)要求的前提下，機(jī)械手手爪還要求體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。

2、機(jī)械手手爪的萬能性與專用性是矛盾的。萬能手爪在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很

難實(shí)現(xiàn)，從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各類專用的、高效率的機(jī)械手手爪，

加之以快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的多種作業(yè)功能，而不主張用一個萬能的手

爪去完成多種作業(yè)，以考慮設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。

3、機(jī)械手手爪的通用性。通用性是指有限的手爪，可適用于不一致的機(jī)械手，

這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。

4、機(jī)械手手爪要便于安裝與維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)操縱。

2.2.2驅(qū)動方式

通常工業(yè)機(jī)械手手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動方式，可分為回轉(zhuǎn)型與移動

型；按夾持方式來分，有外夾式與內(nèi)撐式兩種。

機(jī)械手夾持器（手爪）的驅(qū)動方式要緊有三種：

1.氣動驅(qū)動方式

這種驅(qū)動系統(tǒng)是用電磁閥來操縱手爪的運(yùn)動方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動速

度。由于氣動驅(qū)動系統(tǒng)價格較低，因此氣動夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外,

由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運(yùn)動具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取

動作十分需要的。

2.電動驅(qū)動方式

電動驅(qū)動手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，通常使用直流伺服電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)，

并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動力與力矩。電為驅(qū)動方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位

置操縱。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，由于電機(jī)有可能產(chǎn)

生火花與發(fā)熱。

3.液壓驅(qū)動方式

液壓驅(qū)動方式是利用液壓系統(tǒng)進(jìn)行操縱，傳動剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置操縱。

2.2.3典型結(jié)構(gòu)

機(jī)械手手爪的典型結(jié)構(gòu)有下列五種：

1.楔塊杠桿式手爪

利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。

2.滑槽式手爪

當(dāng)活塞向前運(yùn)動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產(chǎn)生夾緊動作與夾緊力，當(dāng)活

塞向后運(yùn)動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，習(xí)慣抓取大小不一致的物體。

3.連桿杠桿式手爪

在活塞的推力下，連桿與杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動，由于杠桿的力放大

作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。

4.齒輪齒條式手爪

通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動作。

5.平行杠桿式手爪

使用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就能夠保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動，

且比帶有導(dǎo)軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。

2.2.4具體設(shè)計(jì)方案

結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)使用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復(fù)移動，通過

活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或者閉合。手指的最小開度由

加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為50mm來設(shè)計(jì)。手爪的具體

結(jié)構(gòu)形式如圖2?3所示：

圖2-3

2.3機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

機(jī)械手手腕是機(jī)械手操作機(jī)的最末端，與手爪相連接，它與機(jī)械手手臂配合，使

手爪在空間運(yùn)動，完成所需要的作業(yè)動作。

2.3.1手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

1、由于手腕安裝在機(jī)械手末端，因此要求手腕設(shè)計(jì)應(yīng)盡量小巧輕盈，結(jié)構(gòu)緊湊。

2、根據(jù)作業(yè)需要，設(shè)計(jì)機(jī)械手手腕的自由度。通常情況下，自由度數(shù)目愈多，

腕部的靈活性愈高，對對作業(yè)的習(xí)慣能力也愈強(qiáng)。但自由度的增加，必定使腕部

結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，操縱更困難，成本也會相應(yīng)增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)

實(shí)際作業(yè)要求來確定。

3、為實(shí)現(xiàn)腕部的通用性，要求有標(biāo)準(zhǔn)的連接法蘭，以便于與不一致的機(jī)械手手

爪進(jìn)行連接。

4、為保證工作時力的傳遞與運(yùn)動的連貫，腕部結(jié)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度與剛度。

5、要設(shè)有可靠的傳動間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動精度。

6、手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。

2.3.2具體設(shè)計(jì)方案

通過對數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對機(jī)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與可靠性，

為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單，降低操縱的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐

證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具

體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖2-4o

圖2-4手腕結(jié)構(gòu)

2.4機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.4.1手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

機(jī)械手的手臂在工作時，要承受一定的載荷，且其運(yùn)動本身具有一定的速度，因

此，機(jī)械手手臂的設(shè)計(jì)需要遵循下列設(shè)計(jì)要求：

1、工作空間的形狀與大小與機(jī)械手手臂的長度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍有密切的

關(guān)系，因此手臂尺寸諛計(jì)應(yīng)合理，通常滿足其工作空間即可。

2、為了提高機(jī)械手的運(yùn)動速度與操縱精度，應(yīng)在保證機(jī)械手手臂有足夠強(qiáng)度與

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。

3、應(yīng)盡可能使機(jī)械手手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一

點(diǎn)，這樣能夠使機(jī)械手運(yùn)動學(xué)正逆運(yùn)算簡化，有利于機(jī)械手的操縱。

4、機(jī)械手各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動誤差。

5、為提高機(jī)械手手臂運(yùn)動的響應(yīng)速度、減小電機(jī)負(fù)載，機(jī)械手的手臂相對其關(guān)

節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡。

2.4.2具體設(shè)計(jì)方案

由于機(jī)械手手臂運(yùn)動為直線運(yùn)動，且考慮到搬運(yùn)工件的重量較大（質(zhì)量達(dá)

30KG）,與機(jī)械手的動態(tài)性能及運(yùn)動的穩(wěn)固性，安全性與較高的剛度要求，因

此選擇液壓驅(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(yùn)動件，因此不用再額外設(shè)計(jì)執(zhí)行件；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，操縱簡單，易

于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的操縱。

由于液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力，因此驅(qū)動力與結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都較容易實(shí)現(xiàn)，其

關(guān)鍵在于機(jī)械手運(yùn)動的穩(wěn)固性與剛度的設(shè)計(jì)。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是液壓

缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)同意的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。

同時，由于操縱與具體工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過

增大液壓缸的直徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時另

外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個導(dǎo)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(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，

各個導(dǎo)桿均使用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動剛度與穩(wěn)固

性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)固性的問題。

2.5機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.5.1腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

機(jī)械手的腰座，就是機(jī)械手的回轉(zhuǎn)基座。它是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，承

受了機(jī)械手的全部重量。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械手腰座結(jié)構(gòu)時，有下列設(shè)計(jì)要求：

1、由于腰座要承受機(jī)械手全部的重量與載荷，因此，機(jī)械手腰座的結(jié)構(gòu)要有足

夠大的強(qiáng)度與剛度，以保證其承載能力，且腰座是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，它

對機(jī)械手末端的運(yùn)動精度影響最大，因此，在設(shè)計(jì)時要特別注意腰部軸系及傳動

鏈的精度與網(wǎng)度。

2、腰部結(jié)構(gòu)要便于安裝、調(diào)整。要有可靠的定位基準(zhǔn)面與調(diào)整機(jī)構(gòu)。且腰座要

安裝在足夠大的基面，以保證機(jī)械手在工作時整體安裝的穩(wěn)固性。

3、腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動要有相應(yīng)的驅(qū)動裝置，它包含驅(qū)動器及減速器。驅(qū)動裝置通

常都帶有速度與位置傳感器，與制動器。

4、為了減輕機(jī)械手運(yùn)動部分的慣量，提高操縱精度，要求回轉(zhuǎn)運(yùn)動部分由比重

較小的鋁合金材料制成，而不運(yùn)動的基座是用鑄鐵或者鑄鋼材料制成。

2.5.2具體設(shè)計(jì)方案

腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要緊有兩種，一是電機(jī)通過減速機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，二是通過擺動

液壓缸或者液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)?？紤]到腰座是機(jī)械手的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，對機(jī)械手

的最終精度影響大，故使用電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于電動方式操縱

的精度高，結(jié)構(gòu)緊湊，不用額外設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)及其輔助元件。由于電機(jī)都不能直

接驅(qū)動，并考慮到轉(zhuǎn)速與扭矩的具體要求，故使用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進(jìn)行

減速與扭矩的放大。由于齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙，影響傳動精度，故僅使用一

級齒輪傳動，使用大的傳動比（大于100）,同時為了減小傳動誤差，齒輪使用

高強(qiáng)度、高硬度的材料，高精度加工制造。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2?5所示：

2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.6.1傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題

由于傳動部件直接影響著機(jī)械手的精度、穩(wěn)固性與快速響應(yīng)能力，因此，在設(shè)計(jì)

機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)時要注意下列問題：

1、機(jī)械手的傳動機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕,體積小，以提高機(jī)械手的運(yùn)動

速度及操縱精度。并在傳動鏈及運(yùn)動副中使用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所

造成的運(yùn)動誤差。

2、盡量減少系統(tǒng)運(yùn)動部件的靜摩擦力，而正摩擦力為盡可能小的正斜率，以消

除爬行現(xiàn)象，增加系統(tǒng)壽命。

3、盡量縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。

4、選用最佳傳動比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的

等效轉(zhuǎn)動慣量，盡可能提高加速能力。

5、適當(dāng)?shù)淖枘岜?。阻尼比越大，零件產(chǎn)生振動時最大振幅越小，衰減越快。但

大的阻尼會使系統(tǒng)誤差增大，精度降低。故應(yīng)采取合適的阻尼比。

2.6.2常用的傳動機(jī)構(gòu)形式

常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)要緊有螺旋傳動、齒輪傳動、鏈傳動、同步帶傳動等。

1.螺旋傳動

它要緊是用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換為直線運(yùn)動或者將直線運(yùn)動變換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。有傳

遞能量為主的，如螺旋壓力機(jī)、千斤頂?shù)?；有以傳遞運(yùn)動為主的，如機(jī)床工作臺

的進(jìn)給絲杠。

2.齒輪傳動

在機(jī)械手中常用的齒輪傳動機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及

蝸輪蝸桿傳動等。

齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速與轉(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。齒輪傳動時，齒輪傳動形式及其傳動比務(wù)必是最佳匹配，應(yīng)滿足驅(qū)

動部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低

轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩，且系統(tǒng)要有足夠的剛度。同時，為保證在同

一驅(qū)動功率時，其加速度響應(yīng)最大，還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小。為使系統(tǒng)穩(wěn)固，

不產(chǎn)生傳動死區(qū)，要盡量使用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪，并使用調(diào)整齒側(cè)間隙

的方法來消除或者減小嚙合間隙從而提高傳動精度與系統(tǒng)的穩(wěn)固性，降低成本。

3.鏈傳動

在機(jī)械手中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機(jī)械手末端的重量，通常都將腕關(guān)

節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝在小臂后端或者大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較

遠(yuǎn)，故使用精密套筒滾子鏈來傳動。

4.同步帶傳動

同步帶傳動是綜合了普通帶傳動與鏈傳動優(yōu)點(diǎn)的一種新型傳動。為保證帶與帶輪

作無滑動的同步傳動，在帶的工作面及帶輪外周上均制有使用承載后無彈性變形

的高強(qiáng)力材料制成嚙合齒，通過齒間嚙合進(jìn)行傳動。其特點(diǎn)是傳動比準(zhǔn)確、傳動

效率高（可達(dá)98%）、節(jié)能效果好；能吸振、噪聲低、不需要潤滑；傳動平穩(wěn),

能高速傳動（可達(dá)40m/s）、傳動比可達(dá)10,結(jié)構(gòu)緊湊、保護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，故

在機(jī)械手中使用很多。

2.6.3具體設(shè)計(jì)方案

由于選用了液壓缸作為機(jī)械手的手臂，它既是關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，又是動力單元，因此不

需要中間傳動機(jī)構(gòu)，既簡化了結(jié)構(gòu)，又提高了精度。而其腰座的回轉(zhuǎn)使用步進(jìn)電

動機(jī)驅(qū)動，而電動機(jī)不能作為直接驅(qū)動元件，因此為取得較大的轉(zhuǎn)矩，經(jīng)分析比

較，選擇圓柱齒輪傳動。為了保證比較高的精度：盡量減小因齒輪傳動造成的誤

差；同時大大增大扭矩，以較大的降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，使機(jī)械手的運(yùn)動平穩(wěn)，動態(tài)性

能好。這里只使用一級齒輪傳動，使用大的傳動比（大于100），齒輪使用高強(qiáng)

度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7機(jī)械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.7.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點(diǎn)

1.液壓驅(qū)動系統(tǒng)

具有動力大、力（或者力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動、精

度高等特點(diǎn)。適合于在承載能力大，慣量大與在防火防爆的環(huán)境中工作的機(jī)械手。

2.氣動驅(qū)動系統(tǒng)

具有速度快，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維修方便、價格低等特點(diǎn)。適用于中、小負(fù)荷的機(jī)

械手中使用。但是因難于實(shí)現(xiàn)伺服操縱，多用于程序操縱的機(jī)械手中。

3.電動驅(qū)動系統(tǒng)

具有使用方便，噪聲較低，操縱靈活等特點(diǎn)。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，但

大多數(shù)電機(jī)后面需安裝精密的傳動機(jī)構(gòu)。

2.7.2具體設(shè)計(jì)方案

在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機(jī)械手腰部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要一定

的定位操縱精度，因此使用步進(jìn)電動機(jī)來實(shí)現(xiàn)。由于手臂使用液壓缸，故用液壓

驅(qū)動。隨著機(jī)床加工的工件的不一致，手臂伸出長度不一致，要求手臂具有伺服

定位能力，故使用電液伺服液壓缸進(jìn)行驅(qū)動。而手爪的張開與夾緊通過液壓柱塞

缸活塞與中間齒輪與扇形齒輪配合來實(shí)現(xiàn)，即手爪在柱塞缸推力作用下通過活塞

桿端部齒條、中間齒輪及扇形齒輪使手指張開與閉合。

2.8機(jī)械手手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型與球坐標(biāo)型機(jī)械手能夠通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，

使得手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)械手手臂通常都需要平衡裝置，以減小嫗動

器的負(fù)荷，同時縮短啟動時間。

2.8.1平衡機(jī)構(gòu)的形式

1.配重平衡機(jī)構(gòu)

這種平衡裝置結(jié)構(gòu)簡單，平衡效果好，易于調(diào)整，工作可靠，但增加了機(jī)械手手

臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。通常在機(jī)械手手臂的不平衡力矩比較小的情況下使用

這種平衡機(jī)構(gòu)。

2.彈簧平衡機(jī)構(gòu)

彈簧平衡機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡單、造價低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用

廣泛。

3.活塞推桿平衡機(jī)構(gòu)

活塞式平衡系統(tǒng)分為兩種，一是液壓平衡系統(tǒng)，二是氣動平衡系統(tǒng)。其中液壓平

衡系統(tǒng)平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用；而氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻

尼作用，但體積比較大。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或者氣動裝置，系統(tǒng)

復(fù)雜，因此造價高，設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。用于配

重平衡、彈簧平衡滿足不了工作要求的場合。

2.8.2具體設(shè)計(jì)方案

由于本機(jī)械手使用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與整個機(jī)械手的設(shè)

計(jì)與布局中都重點(diǎn)考慮了機(jī)械手手臂的平衡問題，通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，

使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。若實(shí)際工作中平衡結(jié)果不滿足，則設(shè)置彈簧平衡

機(jī)構(gòu)進(jìn)行平衡。

3.1電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算

3.1.1有關(guān)參數(shù)的計(jì)算

1.若傳動負(fù)載作直線運(yùn)動（通過滾珠絲杠）則有

則有

(3-1)

修酒Ksir

負(fù)載加速功率,小然鼠

（3-2）

負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）,

次崎wVVcBTU￡了1N

負(fù)載G。'（折算到電機(jī)軸工

（3-4）

WWWoSTJJDAoNET

,JG"+(?6).a

（3-5）

l37也_篤)

制動時間?

(GD^GDl)Nu/.八

2.若傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動\/ywW05TCDAoH

負(fù)載額定功率.尸一看M（3-7）

°9550i）

負(fù)載加速功率,尸二（3-8）

“3577x103(

負(fù)我力矩（折界到電機(jī)軸）.

（3?9）

步/負(fù)教而（訐算到電機(jī)軸工一代ET

（3-10）

起動時間.

制動時間:

（G爆?聞）均

（3J2）

375（7；-%）

WWWaDA,Ngr

e一一為加速功率，KW?

切---.為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/ttutu

N、---為電機(jī)軸回轉(zhuǎn)速度.r/mmj

一為婢的小國，

7―為趣他為wwWoSvy83Aowr

/…?-為摩擦系數(shù)?

Tt.一.為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），Nmi

7,一一為電機(jī)啟動最大轉(zhuǎn)矩，N

Tt一一為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上），N冷

GD；一一為負(fù)載的的二Nm2i

GD}??一為負(fù)載GO2（折建到電機(jī)軸上）,N理3

G%—.為電機(jī)的GO。Nm2i

具體到本設(shè)計(jì)，由于步進(jìn)電機(jī)是驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動形式屬于第二種。下

面進(jìn)行具體的計(jì)算。

由于腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)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；

C,5L一5%\R3&-A（3-13）

式由二淡國軸承摩援京整:取誦）5.

G?一為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取100KG.

R…-為回轉(zhuǎn)軸上傳動大齒輪分度圓半徑,R=240掰mi

帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得7；=012M加，

a「京、、（zr=r\門

5gIRSTf]*1

同時,腹部回轉(zhuǎn)速度定為M25r偏好傳動除為小赤飛''卜’

W刪?限7u號守回。瓜u[刈但

且，GD嚴(yán)m(xù)gD）帶入數(shù)據(jù)得?00=1045667Mm?0

將其帶入上（3-7）~（113）式，得?

品?13227取與=00068IFi

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二省的畤悒」\三。6法&公正赤；

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VwifvVvOc^）.iijrAlQUVJU

制動忖問14?3msi

折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：7；=0.0010523AT/?.

3.1.2電機(jī)型號的選擇

110BYG550B-SAKRMA-0301或者110BYG550B-SAKRMT-0301或

者110BYG550B-BAKRMT-0301，該步進(jìn)電機(jī)高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好，

各項(xiàng)參數(shù)如表3-2o

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RMTINI■72

長3-漸送電機(jī)相關(guān)餐數(shù)

型號相步距靜向相電保定空載重轉(zhuǎn)動

數(shù)角態(tài)電感持位啟動量慣量

電阻轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)頻率

流矩矩（半

步方

式）

100BYG550B-SAK50.36/30.710.080.53.56.49700

RMA-03010.72

100BYG550B-SAK50.36/30.710.080.53.56.49700

RMT-03010.72

100BYG550B-BAK50.36/30.710.080.53.56.49700

RMT-03010.72

表3-2所選電機(jī)有關(guān)參數(shù)

其中110BYG550B-SAKRMA-0301型步進(jìn)電機(jī)矩頻特性曲線與有關(guān)技術(shù)參數(shù)。

如圖3-3所示

驅(qū)動方式為升頻升壓，步距角為0.36°。同時由于腰部齒輪傳動比為1:120,

步進(jìn)電機(jī)通過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸，回轉(zhuǎn)軸實(shí)際的步距角將為電機(jī)實(shí)際步距角的

1/120（理論上），盡管實(shí)際上存在著間隙與齒輪傳動非線性誤差，實(shí)際回轉(zhuǎn)軸

的最小步距角也仍然是很小的，故其精度相當(dāng)高，完全滿足機(jī)械手的定位精度要

求。

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a3-111CerG55Ce-SAF^MA-O3O1步選電機(jī)的矩我的性曲域

3.2液壓傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.2.1確定液壓系統(tǒng)基本方案

液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸與液壓馬達(dá)，液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，液壓馬達(dá)實(shí)現(xiàn)

回轉(zhuǎn)運(yùn)動。二者的特點(diǎn)及適用場合見表3?1:

房_怯一隱f■:氟—Wr詔用場合

Mfllrp%7.nfit.

0tt生I虎=,Kl"*a6ib*.s工悟ft■力或履它外力

雙活塞杼液壓缸雙間對稱震向工作的在復(fù)場合

mum*為處j于M小于MO的的.

雙葉片式小于130小于180的幽）

?活廛桿祗缸有戲工作面怛鼻德料2.社電和心”■號&?產(chǎn)jr

兩1）不對稱^：,，?翦電'*』

葉片馬達(dá)小枳小、H即?好W.段g照由。北:第g?

運(yùn)動

電輪馬達(dá)結(jié)梅同單、僑格使H矗轉(zhuǎn)速.（K轉(zhuǎn)炬的國號運(yùn)動

的甘也運(yùn)動平樓、轉(zhuǎn)能大、轉(zhuǎn)速礴大好矩的?轉(zhuǎn)運(yùn)動

管羲⑦府.

1

t也*＜由達(dá)也Abq4海欣V況拒8遞大運(yùn)動

WWWoSTUifcSAUM窘下

*城鼓體程小、*圳局大任遵，小功率大"矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)

表3」

由于機(jī)械手設(shè)計(jì)為圓柱坐標(biāo)形式，且具有3個自由度，一個為腰座的轉(zhuǎn)動，兩個

為手臂的移動自由度。同時考慮機(jī)械手的工作環(huán)境與載荷對其布局與定位精度的

要求，與計(jì)算機(jī)的操縱的因素，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，機(jī)械手的水平手臂

與垂直手臂都使用單活塞桿液壓缸，來實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。

3.2.2擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動操縱回路

液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動速度與運(yùn)動方向的操縱是液壓回路的核心問題。

速度操縱通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或者輸出的流量或者者利用密封空間的容

積變化來實(shí)現(xiàn)。相應(yīng)的調(diào)速方式有節(jié)流調(diào)速、容積調(diào)速與二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)

速；方向操縱是用換向閥或者是邏輯操縱單元來實(shí)現(xiàn)。關(guān)于通常中小流量的液壓

系統(tǒng)，通過換向閥的有機(jī)組合來實(shí)現(xiàn)所要求的動作。對高壓大流量的系統(tǒng)，多使

用插裝閥與先導(dǎo)操縱閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。

本設(shè)計(jì)的速度的操縱要緊使用節(jié)流調(diào)速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)，而方

向操縱使用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)。

3.2.3液壓源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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)通常用定量泵供油，住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，溢流閥同時起到操縱并穩(wěn)固油源壓力的

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。通常泵的入口要裝粗濾油器，進(jìn)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(shè)置磁過濾器。根據(jù)液壓設(shè)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(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)使用定量泵供油，由溢流閥V1來調(diào)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(jìn)行凈化。

3.2.4繪制液壓系統(tǒng)圖

本機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖如圖3?2所示（詳見圖紙第四頁），

M7gzW_gj

它擁有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，與執(zhí)行手爪的夾緊、張

開三個執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

其中，泵由三相交流異步電動機(jī)M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的

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)使用了節(jié)流效果不等的兩

個單向節(jié)流閥。當(dāng)5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進(jìn)入柱塞缸，實(shí)現(xiàn)手

爪的輕緩抓緊；當(dāng)6DT失電時，工作液體進(jìn)入柱塞缸中，實(shí)現(xiàn)手爪迅速松開。

另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下

降時有使運(yùn)動速度加快的趨勢，為使運(yùn)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，使用V2構(gòu)成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背

壓，以平衡重力負(fù)載。

3.2.5確定液壓系統(tǒng)的要緊參數(shù)

液壓系統(tǒng)的要緊參數(shù)是壓力與流量，他們是設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)，選擇液壓元件的

要緊根據(jù)。壓力決定于外載荷流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動速度與結(jié)構(gòu)尺寸。

1.計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷

:荷為

(3-14)

WWWc§T?J)?AcNI￡：T

式中,凡--為外加的載荷.因?yàn)樗椒綗o外載荷，故為0,

F.?一-為活塞上所受的慣性力,

為密封阻力J

e靈痰羲案胭

3——為回油被壓形成的阻力?

(1)%的計(jì)算

SB畫皓/甯”(3?15)

聲中，4一4為進(jìn)油J慨有效面枇可

.一一克服液壓缸密封件摩捺阻力所需空載壓力,如法液壓缸工作壓力

<16MP.,查相關(guān)手冊取=02MP/

啟動時:

運(yùn)動時1均=髏鼬涉3c原廠對DArNET

(2)4的計(jì)舁

*式中,％二—4液壓粒所要移勘的總重量，取為100KG;

S---為重力加速度，9.8lw/s’；

Av.一-為速度變化量;

一啟動或帆時叫T:二，

將&tt帶補(bǔ)上式,得‘凡=10姚,—工

（3）4的計(jì)算

回油背壓形成的阻力按下式計(jì)算

（3-17）

>0.5MF”.取=03膽

4--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，及324N

分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活騫上的總機(jī)械數(shù)荷為

1088N。（?圜僵寞腎羲回也

（4）4的計(jì)具WWW^TUOAcNET

機(jī)械手水平方向上有兩個導(dǎo)桿，內(nèi)導(dǎo)桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為

1=G/（3.18）

式中，G?一-為機(jī)械手和所操作工件的總重量，取為100KG,

/——為摩擦系數(shù)，取dOh

帶入數(shù)據(jù)計(jì)留得.號二98N

2.手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計(jì)異

手爪要能抓起工件必須滿足.

N2上/2k3G（3-19）

,所…」：

fr

「………「?為重量-

WWWcg

&——攵12-21

乃一.為動就系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按&=1+2估算，。為機(jī)械

g

手在城運(yùn)工件過程的加速度,擊）■晶泊濟(jì)壹加盅般

歷——方位系數(shù).吉表選版現(xiàn)淵0畝：□DA0M￡T

帶入數(shù)據(jù),計(jì)算得，》=120”,

（3-20）

為手指夾緊力，

R??一為扇形齒輪分度圓半徑?

6.一為夾空力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離;

”-齒輪傳動機(jī)W髏號一“糜莖顏魁

其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得

計(jì)算驅(qū)動力計(jì)算公式為,

（3.21）

式中，F(xiàn)（一一為計(jì)算驅(qū)動力,

片一安全系數(shù)，此處選】2；

B—工作條件系數(shù)，此處選11;

電費(fèi)n第三

而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有

Ff=PA（3-22）

合fffcSDpio。、、-,（rC^、

式中，尸一楣酬工^國廖J[HI迪次於顏IQPJII

4一為柱富械面機(jī)WWWoSTUDAP!ME

經(jīng)計(jì)草，所需的油壓約為.3MPa

3.液壓缸要緊參數(shù)的確定

考慮到機(jī)械手的特點(diǎn)，系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)固性是很重要的。因此，先從剛度角度

進(jìn)行液壓缸缸徑的選擇，以盡量優(yōu)先保證機(jī)械手的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動的穩(wěn)固性與安全

性。至于液壓缸的工作壓力與缸的工作速度，放在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，通過外部

的液壓回路、使用合適的調(diào)速回路與元件來實(shí)現(xiàn)。通過認(rèn)真分析，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；

制內(nèi)較a.RW2-Att>?mI們行程mm工作壓力2

濟(jì)-二-歸二"不。弋U方tr^UZix

WWW。曷可：豪匕竽尿校行林累n參數(shù)

*1內(nèi)徑mm壁壽inmHfi［徑mm行程mm工作壓力M”

604001

*3-3水牛修?液醫(yī)fl拿效

用內(nèi)iftnm壁mm桿直徑mm行程mm工作壓力中>

601025!工1

C

?3-4?直蒞丘11參教

由于伸縮缸的作用要緊是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動，在其軸向上并不承受顯性的工作載

荷（由于手爪夾持工件，受力方向?yàn)榇怪狈较颍?，軸向要緊是克服摩擦力矩，其

所受的載荷要緊是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。而且由于機(jī)

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

具有比較大的彎矩與比較長的行程，這對液壓缸的穩(wěn)固性與剛度有較高的要求。

因此，在水平伸縮缸的設(shè)計(jì)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(jì)，使其具有盡量大的剛度。為了達(dá)到這個目的，設(shè)計(jì)中使用了兩個導(dǎo)向桿，

以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)固性與導(dǎo)向問題。另一方面，為增大結(jié)構(gòu)的剛度與穩(wěn)固

性，將兩個導(dǎo)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。

由于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(jì)能否有足夠的剛度來抗傾

覆。這里同樣使用了導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導(dǎo)桿，較好的解決了

這一問題。

4.液壓缸強(qiáng)度的較核

（1）活塞桿直徑的較核

活蹇桿直餌的較核公式為

Hi**I<\vVrx>/1c\心—FfI)fY

r源》;口（3-23）

式中.口??一為活塞桿上作用力;

[a]??…為活塞桿材料的許用應(yīng)力.此處卬）=。/141

帶入數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算較核得上式成泰,因此活套伸）強(qiáng)度能滿足工作要米.

[11\\r.'JIrI1111

（2）缸筒壁厚的較核

當(dāng)D/5W10時,液壓缸壁厚幅皮轉(zhuǎn)幺贏卡;

右卷聾7（3-24）

或申,:力^為機(jī)貸內(nèi)褂L，0竹，和n

7III!>^YYnVI）

:'而」:為衣筒材加的琴用應(yīng)無闔=66為材料抗拉強(qiáng)度,經(jīng)查相

WWW0ifmA□5M￡I

關(guān)資料取為650MP*/為安全系數(shù)，此處取力=5.

5.一為缸筒試驗(yàn)壓力，當(dāng)缸的額定壓力p.￡l6M%時，取為5=15p.,

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算,上式成立.因此液壓缸壁厚強(qiáng)度滿足要求.

lr.、?Kb。eBu>'■「、nrr."

1.操縱元件的選擇

根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力與通過該閥的最大流量，在標(biāo)準(zhǔn)元件的產(chǎn)品樣本中選取各

操縱元件。

2.液壓泵的計(jì)算

c4）,確定根豌的買際工作里插

Ir*A,1IX/1|*IIIillj

IJJ|匚可：，\kI[I*.]|J

一飛4-布宿A才￡的|一（3?25）

Ww*W.,?津<NlWvv.cj.曰HlulU*心-Q、niTrussdyljJ

式中，A——計(jì)算工作壓力，前以定為4MFa；

SAPr-…對于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（O，15）MPa,這里取

為1MPa?石十八一、丫/&、卜室Unl；r

|反京7?l|V:11''I11II11/1|\^I

因此，可以確定液壓泵的實(shí)際工停隹球廠n‘戶’。上

：二，/儲二；%11

JVV3vbVOl"-tL=nD4Xa—URyffh7D"

匕=4+1=5叱J（3-26）

（2）確定液壓泵的流量

力=K93（3-27）

式中.Q——劉世露因數(shù)，取1h

—、’單華播神靜劃闡最大流量y

d=￡/y（3-28）

經(jīng)計(jì)彈得4nH=3.1402./mm

帝入上式得力=11x3.1*節(jié)454*帛W咬券L

⑶確定液壓泵電機(jī)的功率WWWnSJTIUlDAo^^T

鳥=2x紅殳^（3-29）

6。F

,式中rp,”*7?液壓泵實(shí)際工作比力.?

[7]《|\||JI—jrk\r<55^14t[KI|

“—F星大工，三流量.同前,取為31402/mmi

Wg4Wus0O匯J於o洶叵u

八--為液壓泵總效率，取為08

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得，心=0.654kw。

3.油管及其他埔助裝置的啰加「；同，「心手.

⑴查閱設(shè)計(jì)手冊，選擇油管如施￡加隹「箜厚參裝”

TJ4J.V/Ai.rtSvS2*3.*AR||n|廣7一工JJ,TJ

液壓泵出口流量以3140L/MINi+；選取漏加壓絮媼管稍麻粗圓,選擇優(yōu)?

其余都選為婚5

“二一般取菜流星的I*僭，'這里取先3倍，有效容枳為

WW?V'0M即J岫/*5'焉詼（3.30）

第4章機(jī)械手操縱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1硬件設(shè)計(jì)

4.1.1操作面板布置

操作面板布置如圖4-2所示:

'啟動停止理點(diǎn)指不?)

機(jī)城手-操作而叔不務(wù)/

WWW

圖4-2

機(jī)械手的操作方式分為手動操作與自動操作兩種。

1.手動操作：就是用按鈕作機(jī)械手的每一步運(yùn)動進(jìn)行單獨(dú)的操縱。當(dāng)選擇升/降

按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手上升；按下停止按鈕時，機(jī)械手上升。當(dāng)選擇正

轉(zhuǎn)/逆轉(zhuǎn)按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手順時針轉(zhuǎn)動，而按下停止按鈕時，機(jī)械

手逆時針轉(zhuǎn)動。同理，當(dāng)選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機(jī)械手爪夾緊，

而按下停止按鈕時，手爪松開。

2.自動操作：機(jī)械手從原點(diǎn)開始，按下啟動按鈕：機(jī)械手的動作將自動的、連續(xù)

的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機(jī)械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，

回到原點(diǎn)位置。

4.1.2工藝過程與操縱要求

機(jī)械手的動作有腰座的旋轉(zhuǎn)，垂直手臂的升降，水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與

松開。手臂垂直升降與水平伸縮由液壓實(shí)現(xiàn)驅(qū)動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞

缸與齒輪來實(shí)現(xiàn)；腰座旋轉(zhuǎn)通過步進(jìn)電動機(jī)與齒輪來實(shí)現(xiàn)。

其中，液壓缸由相應(yīng)的電磁閥操縱，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥操縱，當(dāng)下

降電磁閥通電時，機(jī)械手下降；斷電時，機(jī)械手下降停止；當(dāng)上升電磁閥通電時，

機(jī)械手上升；斷電時，機(jī)械手上升停止。而水平方向的伸縮要緊由電液伺服閥、

伺服驅(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進(jìn)行調(diào)節(jié)操縱。

實(shí)現(xiàn)執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來操縱，

當(dāng)線圈不通電時，柱塞缸不工作，當(dāng)線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，

柱塞缸工作回程，手爪閉合。

當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方，并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時，為了確保安全，務(wù)必

在機(jī)床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才同意機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè)。同時，從工

件料架上抓取工件時，也要先推斷料架上有無工件可取。

4.1.3作業(yè)流程

機(jī)械手工作流程如圖4-1所不:

圖4-1機(jī)械手T作流程圖

從