袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì),袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì),袋裝,化肥,搬運(yùn),機(jī)械手,設(shè)計(jì) XX大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 所在學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 2016年 月 日 摘 要 本課題主要根據(jù)目前化肥廠生產(chǎn)的化肥大多都是袋裝的，都是工人搬運(yùn)裝車，由于工人的工作量大，工人勞動(dòng)強(qiáng)度高，一些有毒物質(zhì)對(duì)人體造成傷害，為了改善這種情況，本題目將設(shè)計(jì)一種袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手，要搬運(yùn)的袋裝化肥重量為40-50千克，每次搬運(yùn)一袋，工作循環(huán)為30秒，工作范圍為3000mm。 本課題研究的袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手能代替人類、重復(fù)枯燥完成危險(xiǎn)工作，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力,減輕人勞動(dòng)強(qiáng)度。該裝置涵蓋了位置控制技術(shù)可編程控制技術(shù)、檢測(cè)技術(shù)等。本課題擬開發(fā)的物料袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，根據(jù)工件的變化及運(yùn)動(dòng)流程的要求隨時(shí)更改相關(guān)參數(shù),可代替人工在高溫危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)行作業(yè)。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手, 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手，抓取，提升 IV Abstract This topic mainly based on the current fertilizer plant fertilizer mostly bags, are the workers handling loading due to the heavy workload of workers, high labor intensity, some toxic substances cause harm to humans, in order to improve the situation, this topic will be to design a robot handling fertilizer bags, fertilizer bags to carry the weight of 40-50 kg each carrying a bag, a duty cycle of 30 seconds, the working range of 3000mm. This research bagged fertilizer handling robot can replace humans, dangerous work to complete the tedious repetition, improve labor productivity, reduce human labor intensity. The device covers the position control programmable control technology, detection technology. The topic to be developed bagged fertilizer material handling robot can pick and place objects in space, flexible operation, change parameters based on changes in the work flow and movement requirements at any time, you can replace the manual operation in high temperature danger zone. Keywords: robots, robot handling fertilizer bags, Gripping, lifting 目 錄 摘 要 I Abstract II 目 錄 III 1 緒論 1 1.1 機(jī)械手發(fā)展簡(jiǎn)史 1 1.2機(jī)械手的定義 2 1.3 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的組成 3 1.4 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用 3 1.5課題背景及目的 3 2設(shè)計(jì)任務(wù)分析及總體方案 4 2.1機(jī)械手設(shè)計(jì)原則 4 2.2機(jī)械手分類 5 2.3機(jī)械手主要組成 5 2.4機(jī)械手結(jié)構(gòu)布置要求及平穩(wěn)性與定位精度 5 2.4.1 結(jié)構(gòu)布置要求 5 2.4.2影響平穩(wěn)性及定位精度的因素 6 2.5管路布置及效驗(yàn) 7 2.5.1機(jī)械手常用位置檢測(cè)元件 7 2.5.2管路布置方法 7 3機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.1 機(jī)座 9 3.2腰部 10 3.3減速機(jī)構(gòu)——諧波齒輪減速器 10 3.3.1齒輪減速器 10 3.3.2蝸輪蝸桿減速器 10 3.3.3諧波齒輪減速器 10 3.4機(jī)械手的手臂 12 3.4.1機(jī)械手的手臂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題 13 3.5液壓缸 14 3.5.1液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 15 3.5.2液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn) 16 3.6手部 16 3.6.1手爪 16 3.7電機(jī) 19 3.7.1電動(dòng)機(jī)容量選擇三項(xiàng)基本原則 19 3.7.2袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手電動(dòng)機(jī)的選擇 20 4 驅(qū)動(dòng)部件設(shè)計(jì)及計(jì)算 21 4.1液壓系統(tǒng) 21 4.1.1液壓傳動(dòng)裝置的組成 21 4.1.2液壓系統(tǒng)中在機(jī)械手中主要實(shí)現(xiàn)的輔助功能 22 4.1.3液壓泵的計(jì)算 22 4.2主傳動(dòng)電機(jī)的選擇 25 5主要零部件的計(jì)算 30 5.1手部液壓缸的選擇計(jì)算 30 5.2推桿的計(jì)算 32 5.3吊桿的校核 33 5.4危險(xiǎn)螺栓組聯(lián)結(jié)校核 34 5.5小臂的校核 36 結(jié)論 38 參考文獻(xiàn) 39 致 謝 41 1 緒論 1.1 機(jī)械手發(fā)展簡(jiǎn)史 機(jī)械手是在機(jī)械自動(dòng)化的生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新設(shè)備。它是給湯機(jī)學(xué)的一個(gè) 重要組成部分?？赏ㄟ^編程成功的完成各種任務(wù)是其最重要的特點(diǎn)，它將任何機(jī)器的優(yōu)點(diǎn)集于一身，及其突出的展示了人的智能性、適應(yīng)性。在現(xiàn)代生產(chǎn)中，機(jī)械手被大量的 運(yùn)用到自動(dòng)化生產(chǎn)中，雖然機(jī)械手現(xiàn)階段還不如人手靈活，但它能做不斷重復(fù)的勞動(dòng)和工作，不用考慮危險(xiǎn)性和疲勞，抓舉比人手更有力等等優(yōu)點(diǎn)，因此，機(jī)械手越來越受到人們的重視，應(yīng)用范圍也越發(fā)廣泛。最先研制機(jī)械手的國家是美國。在 1958 年的時(shí)候，美國的聯(lián)合控制公司研制出來了第一臺(tái)機(jī)械手。這種機(jī)械手的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單：一個(gè)旋轉(zhuǎn)臂裝在機(jī)器本體上，帶有電磁塊的物品抓放機(jī)構(gòu)安裝在頂部，控制系統(tǒng)是示教再現(xiàn)的。1962 年，該公司在此基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。取名為 unimate。仿照坦克炮塔的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，臂可以俯仰、伸縮、回轉(zhuǎn)等等，動(dòng)力源為液壓系統(tǒng)；用磁鼓作為控制系統(tǒng)的存儲(chǔ)裝置。它是球坐標(biāo)通用機(jī)械手發(fā)展起來的基礎(chǔ)。幾乎同時(shí)，美國的另外一家設(shè)備公司也試制了一種名為 vewrsatran 的機(jī)械手。這種機(jī)械手的中簡(jiǎn)立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)也為示教再現(xiàn)型。出現(xiàn)在六十年代初的這兩種機(jī)械手，成為后來國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978 年美國斯坦福大學(xué)、unimate 公司和麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制了一種 unimate-vicarm 型機(jī)械手，采用小型電子計(jì)算機(jī)作為控制的主體，主要用于裝配工作，定位誤差小于±1mm。聯(lián)邦德國的 knka 生產(chǎn)了一種機(jī)械手，主要用于焊接，它采用的是關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)，用程序來控制。 目前，大部分的機(jī)械手還處在第一代的階段，大部分依靠人工來進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是提高工作精度，降低生產(chǎn)成本。第二代的機(jī)械手正在研制中。整個(gè)系統(tǒng)使用微機(jī)來進(jìn)行控制，具有視覺以及觸覺能力，甚至具有聽和想的能力。它的機(jī)身上裝各種傳感設(shè)備，把接收到的信息反饋出去，使機(jī)械手擁有了感覺的功能。 我國給湯機(jī)技術(shù)起步比較晚，大概始于 20 世紀(jì) 70 年代末。機(jī)械手領(lǐng)域也是這個(gè) 期開始涉及的。近年來，我國在這一方面發(fā)展迅速，在許多前沿領(lǐng)域內(nèi)與世界先進(jìn)水平之間的差距都在逐漸縮短。壓鑄在工作時(shí)，定模與動(dòng)模的擠壓撞擊力極大，熔爐中金屬液體溫度很高，另外噪聲巨大，工人在如此惡劣的環(huán)境下長時(shí)間工作是極其危險(xiǎn)的。機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(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力大的特點(diǎn)。因此，將機(jī)械手應(yīng)用于該領(lǐng)域，可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少危險(xiǎn)， 也可以提高設(shè)備的生產(chǎn)效率和自動(dòng)化水平，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。 1.2機(jī)械手的定義 目前，工業(yè)機(jī)械手的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標(biāo)準(zhǔn)化組織采納了美國機(jī)械手協(xié)會(huì)給工業(yè)機(jī)械手下的定義：工業(yè)機(jī)械手是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動(dòng)作程序，來完成各種工作，主要用于搬運(yùn)材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習(xí)慣用語，對(duì)工業(yè)機(jī)械手作如下定義： 1.3 袋裝化肥搬運(yùn)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)。 袋裝化肥搬運(yùn)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)三部分組成。 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。 時(shí)間、速度和加速度等參數(shù)。 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手與主機(jī)及其它有關(guān)裝置之間的聯(lián)系[3]。 1.4 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用 按袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手布局形式分可分為：架空式袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手、附機(jī)式袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手、落地式袋裝化肥搬運(yùn)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)向等用途的袋裝化肥搬運(yùn)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)。 袋裝化肥搬運(yùn)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，一般沒有獨(dú)立的控制裝置[3]。 1.5課題背景及目的 畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)在校學(xué)習(xí)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，是對(duì)四年大學(xué)學(xué)習(xí)的繼續(xù)深化和檢驗(yàn)，即有實(shí)踐性又有綜合性，是其他單一課程所不能替代的，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)更能提高綜合訓(xùn)練能力，為即將走向工作崗位，提高實(shí)際工作能力起到十分重要的作用。以達(dá)到如下目的： （1）綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論、基本知識(shí)和基本技能，提高分析解決實(shí)際問題的能力。 （2）接受工程師必須的綜合訓(xùn)練，提高實(shí)際工作能力。如調(diào)查研究、查閱文獻(xiàn)和收集資料并進(jìn)行分析的能力；制訂設(shè)計(jì)或試驗(yàn)方案的能力；設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖能力；總結(jié)提高撰寫論文的能力。 （3）檢驗(yàn)綜合素質(zhì)與實(shí)踐能力。 2設(shè)計(jì)任務(wù)分析及總體方案 機(jī)械手是一種模仿人手部分動(dòng)作,按照預(yù)先設(shè)定的程序、軌跡或其它要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件或者操縱工具的自動(dòng)化裝置。 2.1機(jī)械手設(shè)計(jì)原則　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 總體設(shè)計(jì)的任務(wù)：包括執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算，最后繪出草圖?？傮w設(shè)計(jì)后要進(jìn)行各部件的強(qiáng)度、剛度、驅(qū)動(dòng)力驗(yàn)算。 1.運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)及確定主要要求 手架能作任何角度的伸縮和轉(zhuǎn)動(dòng) 2.驅(qū)動(dòng)方式：液壓、氣壓驅(qū)動(dòng) 該機(jī)械手是獨(dú)立的自動(dòng)化機(jī)械裝置。通用性高，機(jī)械手結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。手臂可作前后伸縮、上下升降和水平左右擺動(dòng)三個(gè)動(dòng)作，手臂可以繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)360度 3.按驅(qū)動(dòng)方式分為聯(lián)合驅(qū)動(dòng)，電力驅(qū)動(dòng)，液壓驅(qū)動(dòng)。 4.按臂力大小來說是中型機(jī)械手。 2.2機(jī)械手分類 1.按驅(qū)動(dòng)方式分：液壓式、氣動(dòng)式、機(jī)械式 2.按適用范圍分：專用機(jī)械手、通用機(jī)械手 3.按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式分：點(diǎn)位控制、連續(xù)軌跡控制 4.按臂部的運(yùn)動(dòng)形式分：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球座坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)式 2.3機(jī)械手主要組成 機(jī)械手主要是由執(zhí)行系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三大部分組成。 1、執(zhí)行部分 執(zhí)行系統(tǒng)是機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)部分。它包括手、手腕、手臂和機(jī)座等部件。 2、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)，電力驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等方式。 3、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定程序動(dòng)作得到電氣控制裝置?？刂葡到y(tǒng)所控制的因素包括執(zhí)行系統(tǒng)各部的動(dòng)作、動(dòng)作順序、位置、時(shí)間和速度等。 2.4機(jī)械手結(jié)構(gòu)布置要求及平穩(wěn)性與定位精度 2.4.1 結(jié)構(gòu)布置要求 機(jī)械手工作中運(yùn)動(dòng)速度較高，在結(jié)構(gòu)布置上應(yīng)保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，這樣可提高機(jī)械手使用的可靠性，并可延長使用壽命，在結(jié)構(gòu)上要注意以下幾點(diǎn)： 1） 臂部要防止偏重 通常臂部處于懸臂的工作狀態(tài)，在設(shè)計(jì)臂部、手部結(jié)構(gòu)時(shí)要盡量使其總的重心在支撐中心，防止對(duì)支撐中心的偏重。偏重將會(huì)產(chǎn)生附加的彎矩引起立柱和導(dǎo)向的變形，工作中引起導(dǎo)向裝置不均勻的磨損。在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中偏重對(duì)回轉(zhuǎn)軸附加有動(dòng)壓力，其方向不斷的變化，特別是高速及速度突然變化時(shí)更為明顯，這將引起機(jī)械手的振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成卡死。防止偏重過大可采取的措施如下： a.減輕手部重量，并盡量減少偏心載荷。 b.合理分布臂部上各部件重量和增加平衡重，使臂部平衡。 c.機(jī)械手在結(jié)構(gòu)上無法避免偏重，則應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)向支撐，盡力減輕偏重對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。 2） 加強(qiáng)臂部剛度 選取臂部結(jié)構(gòu)時(shí)要注意各個(gè)方向的剛度。提高臂部剛度是減少手部顫動(dòng)的關(guān)鍵，有利于提高定位精度。臂部的剛度決定于臂部的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)向形式。 3） 改進(jìn)緩沖裝置和提高配合精度 機(jī)械手緩沖裝置是保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和減少振動(dòng)的主要措施。沖擊有兩種：一種是機(jī)械沖擊，它是臂部運(yùn)動(dòng)中與定位裝置相撞而產(chǎn)生，用可靠緩沖裝置來消除。另一種是液壓系統(tǒng)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的沖擊。這種沖擊作用于管路之中，仍會(huì)引起機(jī)械手振動(dòng)，要靠改進(jìn)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)來叫解決。 提高部件的配合精度，減少間隙都有利于運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 2.4.2影響平穩(wěn)性及定位精度的因素 在生產(chǎn)中要求機(jī)械手工作速度快，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，定位精度高。應(yīng)注意其影響因素，設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)，以滿足要求 ： （１）慣性力的影響　機(jī)械手速度變突，加（減）速度不連續(xù)，會(huì)產(chǎn)生巨大慣性沖擊力，致使工件滑移，部件松動(dòng)，零件破裂。定位時(shí)，大的減速度使臂部往復(fù)振動(dòng)，直接降低定位精度。因此，應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特性，選擇適宜的控制系統(tǒng)，使加（減）速度按所需的運(yùn)動(dòng)規(guī)律變化。同時(shí)，在保證剛度前提下減輕機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件的重量。 （２）結(jié)構(gòu)剛度的影響　零件結(jié)構(gòu)剛性低，配合間隙大以及整機(jī)固有頻率低時(shí)，受較小慣性沖擊就發(fā)生振動(dòng)，不但降低定位精度，而且降低機(jī)械壽命。應(yīng)選擇合理結(jié)構(gòu)，提高機(jī)械手固有頻率以及承受慣性載荷的能力。 （３）定位方法的影響　常用定位方法中電氣開關(guān)定位的精度最低，伺服定位較高，機(jī)械擋塊定位精度最高。 （４）控制系統(tǒng)的影響　電控系統(tǒng)誤差，閥類泄露，檢測(cè)元件失靈，擋塊偏移等都會(huì)降低定位精度。 （５）驅(qū)動(dòng)源的影響　液壓、氣壓、電壓和油溫波動(dòng)都會(huì)降低平穩(wěn)性及定位精度，必要時(shí)，用蓄能器、穩(wěn)壓器等穩(wěn)定壓力和電壓，用加熱器冷卻器控制油溫。 2.5管路布置及效驗(yàn) 2.5.1機(jī)械手常用位置檢測(cè)元件 1.分類 1）模擬型：行程開關(guān)、電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器； 2）數(shù)字型：光柵、編碼器 2.特點(diǎn) 模擬型檢測(cè)裝置元件成本低，使用條件不嚴(yán)格。數(shù)字型檢測(cè)元件制造、安裝精度要求高。數(shù)字型檢測(cè)元件有利于數(shù)字存貯和數(shù)字運(yùn)算，便于和計(jì)算機(jī)連接。 3.檢測(cè)元件的安裝方法 靠近動(dòng)作點(diǎn)進(jìn)行1:1的直接檢測(cè),是較理想的方法,但有時(shí)由于運(yùn)動(dòng)的限制,直接安裝檢測(cè)元件有困難。 采用間接進(jìn)行測(cè)量，它可利用油缸附近的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)按其位移量進(jìn)行間接測(cè)量。這種情況要盡量防止傳動(dòng)間隙影響檢測(cè)精度。 2.5.2管路布置方法 機(jī)械手長采用內(nèi)部走管，多利用缸壁或活塞桿鉆孔通油，在異向桿中裝伸油管通油，在立柱中鉆孔安裝回轉(zhuǎn)配油盤等 采用活動(dòng)軟管通油比較簡(jiǎn)單方便，要注意加工精度和裝配質(zhì)量以防泄漏。軟管還能吸收液壓沖擊能。但容易碰斷和纏繞，要采用防護(hù)措施。 通常腕部，手部采用內(nèi)部走管，便于臂部運(yùn)動(dòng)。臂部和機(jī)身之間則采用軟管連接。 配油盤是回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)內(nèi)部通油的方法。當(dāng)配油盤油路較多時(shí)，要注意配合精度和裝配質(zhì)量，防止內(nèi)泄漏。 伸縮油管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。在使用中常碰到油的補(bǔ)泄問題，當(dāng)油路處于封閉狀態(tài)時(shí)，臂部伸縮運(yùn)動(dòng)伸縮油管運(yùn)動(dòng)，管內(nèi)油的容積發(fā)生變化。不進(jìn)行補(bǔ)償（伸出時(shí)）和溢出（收縮時(shí)），將會(huì)影響執(zhí)行系統(tǒng)的動(dòng)作穩(wěn)定。 3機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的組成主要有：機(jī)座、腰部、支撐架、大臂、小臂、手腕、手爪等部分組成。如下圖3.1所示： 圖3.1 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手總圖 1）機(jī)座 2）腰部 3）支撐架 4）大臂 5）小臂 6）手腕 7）液壓缸 8）手爪 該袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理是利用夾板的夾持力將袋夾緊，這種力是液壓提供的，吊桿兩側(cè)的液壓缸同時(shí)作用在連桿上，連桿推動(dòng)推板，推板將化肥袋夾緊。吊桿可以空間轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，這樣就可以對(duì)不同角度的化肥袋進(jìn)行抓取?；蚀目臻g搬運(yùn)是由安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)以及大小臂上的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上的電機(jī)是負(fù)責(zé)機(jī)器人的空間轉(zhuǎn)動(dòng)的，而大小臂上的電機(jī)負(fù)責(zé)機(jī)械手移動(dòng)空間位置的，吊桿上端的電機(jī)始終保持機(jī)械手的垂直方向。整個(gè)運(yùn)動(dòng)是由一套程序進(jìn)行控制的。袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手是關(guān)節(jié)型連桿機(jī)構(gòu)與數(shù)控機(jī)床伺服軸連接在一起，預(yù)定的機(jī)械手動(dòng)作一經(jīng)編程輸入后，機(jī)械等可以離開人的輔助而獨(dú)立運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人也可以接受示教而完成各種簡(jiǎn)單的任務(wù)。示教過程中操作者用手帶動(dòng)機(jī)械手依次通過工作任務(wù)的各個(gè)位置，這些位置序列記錄在數(shù)字存儲(chǔ)器內(nèi)，任務(wù)的執(zhí)行過程中，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)在伺服驅(qū)動(dòng)下再現(xiàn)出那些位置的序列。 3.1 機(jī)座 機(jī)座支撐著整個(gè)機(jī)器人的重量，機(jī)座一般是由鑄造而成，與地腳螺栓相連接，是整個(gè)機(jī)器人的基礎(chǔ)，其內(nèi)部一般裝有電機(jī)，減速裝置及傳動(dòng)裝置等。 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)座由鑄造而成，內(nèi)部裝有四通公司120MB100A-2CE6E型伺服電機(jī)、液壓泵、諧波減速器等裝置。 3.2腰部 腰部是整個(gè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)部分，由專門的交流伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)，可以完成在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，腰部的主要部件是安裝在機(jī)座上的旋轉(zhuǎn)臺(tái)。 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手腰部旋轉(zhuǎn)臺(tái)為一轉(zhuǎn)盤，通過角接觸軸承與底座配合連接，可實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)整臺(tái)機(jī)械的360度旋轉(zhuǎn)。 3.3減速機(jī)構(gòu)——諧波齒輪減速器 機(jī)器人實(shí)用的減速機(jī)構(gòu)包括普通齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、行星齒輪減速器和諧波齒輪減速器等。另外還有Rv擺線針輪傳動(dòng)和滾動(dòng)螺旋傳動(dòng)。下面詳細(xì)比較一下各種減速機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)： 3.3.1齒輪減速器 齒輪減速器的特點(diǎn)是效率及可靠性高，工作壽命長，維護(hù)簡(jiǎn)便，因而應(yīng)用范圍很廣。 齒輪減速器按其減速齒輪的級(jí)數(shù)可分為單級(jí)、兩級(jí)、三級(jí)和多級(jí)的；按其軸在空間的布置可分為立式和臥式的；按其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的特點(diǎn)可分為展開式、同軸式和分流式的等。 可以設(shè)計(jì)一對(duì)滿足所需傳動(dòng)比（減速比）齒輪，達(dá)到所需的減速比。直齒輪可以實(shí)現(xiàn)平行軸傳動(dòng)，斜齒輪可以實(shí)現(xiàn)角度軸傳動(dòng)。同時(shí)齒輪減速器還可與電機(jī)組成減速器電機(jī)。 3.3.2蝸輪蝸桿減速器 蝸輪蝸桿比起齒輪減速機(jī)構(gòu)來，可以實(shí)現(xiàn)更大的傳動(dòng)比。在實(shí)現(xiàn)較大傳動(dòng)比的同時(shí)，工作平穩(wěn)，無噪聲，結(jié)構(gòu)比較緊湊，還可以實(shí)現(xiàn)自鎖。 3.3.3諧波齒輪減速器 其中諧波齒輪減速器在工業(yè)機(jī)器人中應(yīng)用最為廣泛，諧波齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是依靠柔性件產(chǎn)生的彈性變形波來進(jìn)行動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)傳遞的機(jī)構(gòu)。其基本構(gòu)件，有波發(fā)生器，柔性齒輪及剛性齒輪。常用的波發(fā)生器是一個(gè)安裝有柔性軸承的橢圓形凸輪。其原理是，假定發(fā)生器為主動(dòng)，當(dāng)它在柔輪內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)，迫使柔輪發(fā)生變形，以使其齒進(jìn)入或退出剛輪的齒間。在發(fā)生器長軸方向，柔輪與剛輪完全嚙合；而在其短軸方向，則完全脫開。由于發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，柔輪上的齒依次和剛輪嚙合，從而使柔輪沿剛輪轉(zhuǎn)過的節(jié)圓弧長應(yīng)相等。但柔輪的齒數(shù)比剛輪略少（一般齒數(shù)差為2），從而使柔輪產(chǎn)生了與發(fā)生器轉(zhuǎn)向相反的低速轉(zhuǎn)動(dòng)，而達(dá)到改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的目的。由于在波發(fā)生器旋轉(zhuǎn)時(shí)柔輪上某齒分度圓與剛輪分度圓的間隙呈諧波形隨時(shí)變化，故稱其為諧波傳動(dòng)。 與一般的齒輪傳動(dòng)相比，諧波傳動(dòng)有如下特點(diǎn)： (1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕。 ?? ?諧波齒輪傳動(dòng)的主要構(gòu)件只有三個(gè)：波發(fā)生器、柔輪、剛輪。它與傳動(dòng)比相當(dāng)?shù)钠胀p速器比較，其零件減少50%，體積和重量均減少1/3左右或更多 (2) 傳動(dòng)比范圍大 ????單級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在50—300之間，優(yōu)選在75—250之間； ????雙級(jí)諧波減速器傳動(dòng)比可在3000—60000之間； ????復(fù)波諧波減速器傳動(dòng)比可在200—140000之間。 (3) 同時(shí)嚙合的齒數(shù)多。 ??? 雙波諧波減速器同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá)30%，甚至更多些。而在普通齒輪傳動(dòng)中，同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有2—7%，對(duì)于直齒圓柱漸開線齒輪同時(shí)嚙合的齒數(shù)只有1—2對(duì)。正是由于同時(shí)嚙合齒數(shù)多這一獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使諧波傳動(dòng)的精度高，齒的承載能力大，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大速比、小體積。 (4) 承載能力大。 ????諧波齒輪傳動(dòng)同時(shí)嚙合齒數(shù)多，即承受載荷的齒數(shù)多，在材料和速比相同的情況下，受載能力要大大超過其它傳動(dòng)。其傳遞的功率范圍可為幾瓦至幾十千瓦。 (5) 運(yùn)動(dòng)精度高。 ????由于多齒嚙合，一般情況下，諧波齒輪與相同精度的普通齒輪相比，其運(yùn)動(dòng)精度能提高四倍左右。 (6) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無沖擊，噪聲小。 ????齒的嚙入、嚙出是隨著柔輪的變形，逐漸進(jìn)入和逐漸退出剛輪齒間的，嚙合過程中齒面接觸，滑移調(diào)整。 (7) 齒側(cè)間隙可以調(diào)整。 ????諧波齒輪傳動(dòng)在嚙合中，柔輪和剛輪齒之間主要取決于波發(fā)生器外形的最大尺寸，及兩齒輪的齒形尺寸，因此可以使傳動(dòng)的回差很小，某些情況甚至可以是零側(cè)間隙。 (8) 傳動(dòng)效率高。 ??? 與相同速比的其它傳動(dòng)相比，諧波傳動(dòng)由于運(yùn)動(dòng)部件數(shù)量少，而且嚙合齒面的速度很低，因此效率很高，隨速比的不同（u=60-250)，效率約在65—96%左右（諧波復(fù)波傳動(dòng)效率較低），齒面的磨損很小。 (9) 同軸性好。 ????諧波齒輪減速器的高速軸和低速軸位于同一軸線上。 (10) 可實(shí)現(xiàn)向密閉空間傳遞運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力。 ????采用密封柔輪諧波傳動(dòng)減速裝置，可以驅(qū)動(dòng)工作在高真空、有腐蝕性及其它有害介質(zhì)空間的機(jī)構(gòu)，諧波傳動(dòng)這一獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是其它傳動(dòng)機(jī)構(gòu)難于達(dá)到的。 圖3.2 諧波減速器傳動(dòng)原理圖 3.4機(jī)械手的手臂 不可移動(dòng)機(jī)器人的工作范圍，主要是靠大、小臂來體現(xiàn)的，一般來說，機(jī)器人的所有臂的水平和垂直伸展是機(jī)器人的最大工作范圍。其中，臂的截面形狀、材料、長度等，由工作的實(shí)際情況來確定，一般的，可以選取型鋼，也可以根據(jù)需要加工成其他形狀。該搬運(yùn)機(jī)器人的第一臂的取材是槽鋼，寬為h=100mm,第二臂的選材為空心圓柱。 3.4.1機(jī)械手的手臂設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題 手臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件,其作用是支承手部。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。手臂部的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)形式對(duì)機(jī)械手的工作性能有著較大的影響。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意下列幾點(diǎn)： （1）剛度要好 要合理選擇臂部的截面形狀和輪廓尺寸。實(shí)踐證明，空心桿比實(shí)心桿剛度大得多。常用鋼管作臂部和導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板，以保證有足夠的剛度。 （2）偏重力矩要小 偏重力矩是指臂部的總重量對(duì)其支承或回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的力矩。它對(duì)臂部的升降運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，均將產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使臂部各部分的質(zhì)量分布合理，以減少其偏重力矩。 （3）重量要輕，慣量要小 由于機(jī)械手在高速情況下經(jīng)常起停和換向，為了減少在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，必須采取有效的緩沖裝置外，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以減少慣性力。 （4）導(dǎo)向性要好 為了防止臂部在直線移動(dòng)中沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手部的正確方向和準(zhǔn)確定位，必須有導(dǎo)向裝置。其結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)臂部的安裝形式、抓取重量和運(yùn)動(dòng)行程等因素來確定。 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手大臂由槽鋼和兩個(gè)連接件焊接組成，如圖3.2。采用GB/T 707-1988熱軋普通槽鋼40a型，兩連接件為鍛件，材料為Q235。 圖3.3 大臂的構(gòu)成圖 1）連接件 2）熱軋槽鋼 3）連接件 該搬運(yùn)機(jī)器人小臂由一根圓形鋼管、兩個(gè)方形連接板和八塊肋板焊接而成，如圖3.3所示。圓形鋼管的采用使得機(jī)械手既可以減輕重量，又可以其外觀造型美觀。選擇材料為Q255。 圖3.4 小臂機(jī)構(gòu)圖 1）連接板 2）肋板 3）圓形鋼管 3.5液壓缸 液壓傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，因此，在機(jī)械工程中，液壓傳動(dòng)被廣泛應(yīng)用。液壓傳動(dòng)是以液體作為工作介質(zhì)來進(jìn)行能量傳遞的一種傳動(dòng)形式，它通過能量轉(zhuǎn)換裝置（液壓泵），將原動(dòng)機(jī)（如電動(dòng)機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤旱膲毫δ?，然后通過密封管道、控制元件等，由一能量裝置（如液壓缸、液壓馬達(dá)）將液壓的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，以驅(qū)動(dòng)負(fù)載和實(shí)現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖３.5 液壓缸結(jié)構(gòu)圖 3.5.1液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 液壓傳動(dòng)與其他傳動(dòng)方式相比主要有以下幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)： 1）在同樣的體積下，液壓裝置能比電氣裝置產(chǎn)生更多的動(dòng)力，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)的壓力可以比電樞磁場(chǎng)中的磁力大出30-40倍。 2）在同樣的功率下，液壓裝置的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。液壓馬達(dá)的體積和重量只有同等功率電動(dòng)機(jī)的12%左右。 3）液壓裝置工作比較平穩(wěn)。由于重量輕、慣性小、反應(yīng)快、液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)快速啟動(dòng)，制動(dòng)和頻繁的換向。液壓裝置的換向頻率，在實(shí)現(xiàn)往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)500次/分鐘，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)1000次分鐘。 4）液壓裝置能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速（調(diào)速范圍可達(dá)20000），它還可以在運(yùn)動(dòng)的過程中進(jìn)行調(diào)速。 5）液壓傳動(dòng)易于自動(dòng)化，這是因?yàn)樗麑?duì)液體壓力、流量或流動(dòng)方向易于進(jìn)行調(diào)節(jié)或控制的緣故。當(dāng)將液壓控制和電氣控制或氣動(dòng)控制結(jié)合起來使用時(shí)，整個(gè)傳動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)很復(fù)雜的順序動(dòng)作，接受遠(yuǎn)程控制。 6）液壓裝置易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。液壓缸和液壓馬達(dá)都能長期在失速狀態(tài)下工作而不會(huì)過熱，這是電氣傳動(dòng)裝置和機(jī)械傳動(dòng)裝置無法辦到的。液壓件能自行潤滑，使用壽命較長。 7）由于液壓元件已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和使用都比較方便。液壓元件的排列布置也具有較大的機(jī)動(dòng)性。 8）用液壓傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)比用機(jī)械傳動(dòng)簡(jiǎn)單。 3.5.2液壓傳動(dòng)的缺點(diǎn) 1）液壓傳動(dòng)采用液體為工作介質(zhì)，在相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面間不可避免要有泄露。同時(shí)液體具有可壓縮性，管路等也會(huì)產(chǎn)生彈性變形，因液壓傳動(dòng)一般不宜用在傳動(dòng)比要求嚴(yán)格的情況。 2）泄露引起容積損失。此外，液體通過閥口、管路、等均有阻力損失，這會(huì)影響傳動(dòng)效率和傳動(dòng)性能，而且不適應(yīng)于遠(yuǎn)距離傳動(dòng)。 3）當(dāng)油液溫度和粘度變化或負(fù)載變化時(shí)，往往不易保持運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定。在低速和高溫的情況下，采用液壓傳動(dòng)有一定的困難。 4）油液滲入空氣產(chǎn)生噪音、震動(dòng)和爬行。 3.6手部 3.6.1手爪 機(jī)械手的手部是用來抓持工件（或工具）的部件。手部抓持工件的迅速、準(zhǔn)確和牢靠程度都將直接影響到機(jī)械手的工作性能，它是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。 3.6.1.1.手部總體確定 手部是承擔(dān)抓取化肥袋的機(jī)構(gòu)，由夾板傳力機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置等組成，是機(jī)械手的重要組成部分之一。根據(jù)被抓起部件的材料，形狀，尺寸以及一些特性的不同，此機(jī)械手部分為夾板式。 3.6.1.2.手部要求 1）手指應(yīng)具有足夠的加緊力。在考慮手指的加緊力時(shí)，除考慮工件的重量外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)等影響，以保證夾持牢靠。 2）各構(gòu)件要有足夠的剛度的強(qiáng)度。 3）構(gòu)件要簡(jiǎn)單，修理方便。 4）應(yīng)盡可能結(jié)構(gòu)緊湊。使之重量輕，動(dòng)作靈活。 3.6.1.3.設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題 １）手指應(yīng)有足夠的夾緊力。為使手指牢靠的夾緊工件，除考慮被抓持工件的重力外。還應(yīng)考慮工件在傳送過程中所產(chǎn)生的動(dòng)載荷。 ２）手指應(yīng)有一定的開閉范圍，其大小不僅與工件尺寸有關(guān)，而且須注意手部接近工件的運(yùn)動(dòng)路線及方位的影響。 ３）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。 ４）結(jié)構(gòu)盡量緊湊、重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 ５）根據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。 3.6.1.4.袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手手爪的組成 袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手手爪為夾板式手爪，由兩對(duì)連桿、一對(duì)支撐桿、一對(duì)推板、及一對(duì)橡膠墊組成，如圖3.4所示。支撐桿與兩液壓缸相連，在液壓缸地推動(dòng)下帶動(dòng)推板的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)化肥的夾持，橡膠墊附著在推板上，起到保護(hù)化肥袋不被劃破和防滑的作用。 圖3.6 手爪的組成 1）液壓缸 2）連桿 3）連桿 4）支撐板 5）推板 6）橡膠墊 3.6.1.5.手指夾緊力的計(jì)算 手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算： Ｎ≥Ｋ1×Ｋ2×Ｋ3×Ｇ　kgf (3.1) 式中 Ｋ1—— 安全系數(shù)（通常取１.5－２） Ｋ2—— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， Ｋ3——方位系數(shù) Ｇ——被抓持工件的重量 kg Ｋ2＝１＋a/g (3.2) a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程的加速度 m/s g為重力加速度m/s 3.6.1.6.驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指夾持工件所需要驅(qū)動(dòng)力的大小，在同一夾緊力的條件下，隨所采用的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的不同而異。但其計(jì)算方法都是按照具體的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行力的分析，根據(jù)力系平衡原理來進(jìn)行的。 P1=N×a/b×sinΨ/sin(Ψ+a) (3.3) 根據(jù)受力的平衡條件可得驅(qū)動(dòng)力為: P=2×P1×sina (3.4) =2Na/b×sinΨ×sina/sin(Ψ+a) (3.5) 3.6.2機(jī)械手的手腕 機(jī)械手的手腕連接于手和手臂之間,用于調(diào)整手的方向.此機(jī)械手要求能旋轉(zhuǎn)一定角度, 實(shí)現(xiàn)對(duì)不同角度化肥袋進(jìn)行抓取。此處通過軸承實(shí)現(xiàn)手部吊桿與小臂的連接，使手部總是豎直的夾持化肥袋。通過在手腕上安裝的伺服電機(jī)控制機(jī)械手的轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)不同角度化肥袋的搬運(yùn)。 為了實(shí)現(xiàn)手部垂直夾持化肥袋，在小臂與手部之間通過機(jī)體架安裝一伺服電機(jī)，控制手部的方向。為實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)方向化肥袋的夾持，需要本機(jī)械手爪能旋轉(zhuǎn)一定角度，此處通過機(jī)體架安裝另一伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)。 3.7電機(jī) 在機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)中，選擇一臺(tái)合適的電動(dòng)機(jī)是極為重要的。電動(dòng)機(jī)選擇主要是容量的選擇，如果電動(dòng)機(jī)得容量選小了，一方面不能充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)備的能力，是生產(chǎn)效率降低，另一方面，電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在過載下運(yùn)行，會(huì)使它過早損壞，同時(shí)還可能出現(xiàn)啟動(dòng)困難、經(jīng)受不起沖擊負(fù)載等故障。如果電動(dòng)機(jī)的容量選大了，則不僅使設(shè)備投資費(fèi)用增加，而且由于電動(dòng)機(jī)經(jīng)常在輕載下運(yùn)行，運(yùn)行效率和功率因數(shù)（對(duì)異步電動(dòng)機(jī)而言）都會(huì)下降。 3.7.1電動(dòng)機(jī)容量選擇三項(xiàng)基本原則 選擇電動(dòng)機(jī)容量應(yīng)根據(jù)以下三項(xiàng)基本原則進(jìn)行。 1.發(fā)熱 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須保證電動(dòng)機(jī)的實(shí)際最高工作溫度max等于或略小于電動(dòng)機(jī)絕緣的最高工作溫度a，即max. a 2．過載能力 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，必須具有一定的過載能力。特別是在短期工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)的熱慣性很大，電動(dòng)機(jī)在短期內(nèi)承受高于額定功率的負(fù)載功率時(shí)仍可保證max. a.，故此時(shí)，決定電動(dòng)機(jī)容量的主要因素不是發(fā)熱二十電動(dòng)機(jī)的過載能力。即所選電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩Tmax（對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)）或最大允許電流Imax（對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)而言）必須大于運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLmax或最大負(fù)載電流I,max。 3．啟動(dòng)能力 必須保證電動(dòng)機(jī)能可靠啟動(dòng)。 3.7.2袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手電動(dòng)機(jī)的選擇 除了正確選擇電動(dòng)機(jī)的容量外，還需要根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的要求、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和工作環(huán)境等條件，來正確選擇電動(dòng)機(jī)的種類、電壓、轉(zhuǎn)速和電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。電動(dòng)機(jī)類型選擇的基本依據(jù)是在滿足生產(chǎn)機(jī)械對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性要求的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格低廉。 （1） 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器 ?? 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，它的角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。在負(fù)載能力的范圍內(nèi)，這些關(guān)系不因電源電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化，誤差不長期積累，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以在較寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖頻率來調(diào)速，實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、正反轉(zhuǎn)制動(dòng)。作為一種開環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，在小型機(jī)器人中得到較廣泛的應(yīng)用。但由于其存在過載能力差、調(diào)速范圍相對(duì)較小、低速運(yùn)動(dòng)有脈動(dòng)、不平衡等缺點(diǎn)，一般只應(yīng)用于小型或簡(jiǎn)易型機(jī)器人中。 （2） 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)包括直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 直流伺服電動(dòng)機(jī)在磁場(chǎng)恒定時(shí)，電流正比與輸出轉(zhuǎn)矩，易于控制，且有理想的機(jī)械特性。在20世紀(jì)80年代中期前直流伺服電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)。但由于它采用電刷換向器，需要定期維護(hù)，轉(zhuǎn)速不能太高，功率不能太大，功率/體積比和功率/質(zhì)量比不高等原因，今天已經(jīng)逐漸被交流伺服電動(dòng)機(jī)所取代。 直流伺服電動(dòng)機(jī)主要有鐵心式直流伺服電動(dòng)機(jī)、表面繞阻永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)和動(dòng)圈式永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)三種。其中鐵心式直溜伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，可靠性高，成本低，應(yīng)用最廣泛。動(dòng)圈式永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的電樞用環(huán)氧樹脂或玻璃纖維支撐繞阻，所以電樞電感小，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，快速響應(yīng)性能好。 小功率直流伺服電動(dòng)機(jī)可以采用線性功率放大器驅(qū)動(dòng)。大功率直流伺服電動(dòng)機(jī)則需要采用開關(guān)式放大器驅(qū)動(dòng)。采用開關(guān)型放大器構(gòu)成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在技術(shù)上有模擬驅(qū)動(dòng)和數(shù)字式驅(qū)動(dòng)兩種方法。 交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)有最大的轉(zhuǎn)矩/質(zhì)量比。由于不是用電刷，其工作可靠性極高，幾乎不需要任何維護(hù)。同直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相比，同步式交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器具有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動(dòng)慣量比高、無電刷及換向火花等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。 因此在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中選用了北京四通電機(jī)電器有限公司生產(chǎn)的120MB100A-2CE6E型交流伺服電機(jī)。 3.8液壓系統(tǒng)中的輔助裝置 1、油管 采用銅管，易裝配。 2、管接頭 可連接管路：拆卸方便，常待從液壓縱板乘以油管在遠(yuǎn)離手部集中輸入，后端結(jié)構(gòu)優(yōu)美，在油缸或活塞桿導(dǎo)向桿內(nèi)部鉆孔輸油，采用回轉(zhuǎn)接頭將油液輸往臂部。 4 驅(qū)動(dòng)部件設(shè)計(jì)及計(jì)算 4.1液壓系統(tǒng) 4.1.1液壓傳動(dòng)裝置的組成 液壓傳動(dòng)裝置由于使用工件壓力高的油性介質(zhì)，因此機(jī)構(gòu)出力大，機(jī)械結(jié)構(gòu)更緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)可靠、易于調(diào)節(jié)和噪聲較小，但要配置液壓泵和油箱，當(dāng)油液滲漏時(shí)易污染環(huán)境。一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)是由以下幾部分組成的： （1）能源部分 包括泵裝置和蓄能器，它們能夠輸出壓力油，把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w的壓力能并儲(chǔ)存起來。 （2）執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分 是液壓油缸、液動(dòng)機(jī)等，它們用來帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件，將液體壓力能轉(zhuǎn)變成使部件運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。 （3）控制部分 是各種液壓閥，用于控制流體的壓力、流量和流動(dòng)方向，從而控制執(zhí)行部件的作用力、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，也可以用來卸載，實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)等。 （4）輔助部分 是系統(tǒng)中除了上述三部分以外的所有其他元件，如油箱、壓力表、管路等。 4.1.2液壓系統(tǒng)中在機(jī)械手中主要實(shí)現(xiàn)的輔助功能 液壓系統(tǒng)中在機(jī)械手中主要實(shí)現(xiàn)的輔助功能主要有以下幾點(diǎn)： 1）機(jī)械手的伸、縮、回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)及夾板的松開和拉緊動(dòng)作等。 2）工件的自動(dòng)松開、夾緊。 3）工作臺(tái)的松開夾緊、交換工作臺(tái)的自動(dòng)交換動(dòng)作。 4）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部件平衡。如機(jī)械手軸箱的重力平衡、機(jī)械手的平衡裝置等。 5）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)和離合器的控制、齒輪拔叉換檔等。 6）機(jī)械手的自動(dòng)開關(guān) 4.1.3液壓泵的計(jì)算 液壓泵是標(biāo)準(zhǔn)件，其選擇依據(jù)是額定壓力和流量。 1.小泵 當(dāng)手臂回轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)、手指松緊及定位缸工作時(shí)，只有小流量泵供油。 液壓泵流量計(jì)算公式為： =Nv （4.1） 手臂回轉(zhuǎn)時(shí)，液壓馬達(dá)的額定壓力為10MPa，流量為: =nV=1800×18.2=32.8L/min 手腕回轉(zhuǎn)時(shí)，液壓馬達(dá)的額定壓力為10 MPa,流量為: =nV=1800×10.9=19.6L/min 手指松緊時(shí)，液壓缸的工作壓力為10 MPa，流量為: = A （4.2） =× （4.3） =××3× =3.76L/min 定位缸工作時(shí), 液壓缸的工作壓力為4 MPa，流量為: = A =× =×0.02×3× =0.94L/min 實(shí)際流量： =×=1.1×32.8=36.08L/min （4.4） 實(shí)際壓力： =×=1.1×10=11 MPa （4.5） 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選CB-30型液壓泵。 工作時(shí)液壓泵所需的最大功率為： ===8.27KW （4.6） 查《機(jī)械零件手冊(cè)》選Y160M型電機(jī)。 2）大泵 當(dāng)手臂伸縮、手臂升降時(shí)，大、小泵同時(shí)供油。 手臂升降時(shí)，液壓缸工作壓力為4 MPa，由式（4.1）求得: = A =× =××36× =45.2L/min。 手臂伸縮時(shí) ，液壓缸工作壓力為4 MPa，流量為: = A =× =××12× =0.94L/min 實(shí)際流量由式（4.4）求得： =×=1.1×45.2=49.72L/min 實(shí)際壓力由式（4.5）求得： =×=1.1×4=4.4 MPa 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選CB-50型液壓泵。 工作時(shí)液壓泵所需的最大功率由式（4.6）求得： ===11.39KW 查《機(jī)械零件手冊(cè)》選Y160L型電機(jī)。 表4.1 泵的計(jì)算結(jié)果 型號(hào) 排量(mL/r) 額定壓力(MPa) 轉(zhuǎn)速(r/min) 流量(L/min) 小泵 CB-32 32.5 10 1450 47.1 大泵 CB-50 48.7 10 1450 70.6 4.2主傳動(dòng)電機(jī)的選擇 通過諧波齒輪減速器的減速，主傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速為n=35rpm，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為n=35×120/30＝140轉(zhuǎn)，由于所選的電機(jī)是伺服電機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)從最大轉(zhuǎn)速到最小轉(zhuǎn)速的任意速度，所有選擇的電機(jī)的度只要比140rpm大即可 ，旋轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)數(shù)20rpm。 電機(jī)牽引力： F= F+ F （4.7） 式中： G——參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的重力（包括工件重量）（N）； g——重力加速度，取9.81m/s； ——由靜止加速到常速的變化量（m/s），此處取0.2m/s； ——啟動(dòng)過程的時(shí)間（s），一般取0.01~0.5s，此處取0.01s； ——摩擦系數(shù)，此處取為0.3。 由式（4.7）可得： F =4060N 由公式： （4.8） 式中： ——從電動(dòng)機(jī)到驅(qū)動(dòng)軸的傳動(dòng)效率的總和。 ——傳動(dòng)軸所需的總功率 由式（4.8）可求得： 由以上參數(shù)確定,選擇四通公司的電機(jī) 120MB100A-2CE6E 。 120MB系列交流伺服電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)及接線方法： 絕緣電阻——500VDC 100MΩ Min；絕緣強(qiáng)度——1500VAC 1Minute 環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃；絕緣等級(jí)——B 級(jí) 技術(shù)數(shù)據(jù)： 表4.2 電機(jī)參數(shù) 技術(shù)參數(shù) 單位 伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào) 120MB100A-2CE6E 貨物編碼 031220 額定輸出功率 W 1000 額定轉(zhuǎn)矩 Nm 9.55 瞬間最大轉(zhuǎn)矩 Nm 28.65 額定轉(zhuǎn)速 Rpm 1000 最高轉(zhuǎn)速 Rpm 1200 電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量 Kg·cm2 17.2 轉(zhuǎn)矩系數(shù) Nm/A 1.60 額定相電流 A 4.79 瞬間最大相電流 A 14.37 電樞繞組相電阻 3.70 電樞繞組相電感 mH 15.72 機(jī)械時(shí)間常數(shù) Ms 2.49 電氣時(shí)間常數(shù) Ms 4.25 重量 Kg 10.6 編碼器 P/R 2500 負(fù)載慣量 負(fù)載慣量電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量10 適配驅(qū)動(dòng)器 GS0100x 外形尺寸如下圖4.1所示： 圖4.1 電機(jī)尺寸 接線說明： 表 4.3 接線說明 注意：對(duì)于使用帶制動(dòng)器的伺服電機(jī)時(shí)請(qǐng)注意如下提示： 1.伺服電機(jī)制動(dòng)器線圈的兩端露在外面，與電機(jī)的動(dòng)力線在一起，但沒有接四芯插頭。 2.電機(jī)運(yùn)行前請(qǐng)務(wù)必把制動(dòng)器的線圈通電以松閘，電源要求是24VDC，2A，制動(dòng)器線圈的兩端不分正負(fù)。 注意事項(xiàng)： 1.在安裝/拆卸耦合部件到電機(jī)軸端時(shí)，不要用力敲打軸端，防止電機(jī)軸另一端的編碼器被打敲壞。 2.竭力使軸端對(duì)齊到最佳狀態(tài)，防止振動(dòng)和軸承損壞。 5主要零部件的計(jì)算 5.1手部液壓缸的選擇計(jì)算 在此計(jì)算前，通過計(jì)算的出所需的沖壓力的最大值為300KN。 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算 由公式： （5.1） 式中： P——液壓缸的工作壓力(Pa),此處取1.610Pa； d——活塞桿的直徑（mm）,此處d=50mm； D——液壓缸的內(nèi)徑（mm）； ——液壓缸的機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取=0.95。 由式（5.1）可求得： D=40mm （2）液壓缸的壁厚計(jì)算 由公式： (5.2) 式中： p——液壓缸內(nèi)的工作壓力（Pa），此處p=1.6 Pa； ——強(qiáng)度系數(shù)，此處取=0.8； C——計(jì)入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標(biāo)準(zhǔn)值，此處取C=2mm； D——液壓缸的內(nèi)徑； []——缸體材料的許用應(yīng)力，此液壓缸體的材料為鑄鐵，故取[]=60MPa。 由式（5.2）可求得： 8mm （3）活塞桿的計(jì)算 活塞桿的尺寸要滿足活塞運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度的要求， 即有： (5.3) [] 式中： []——活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處為100MPa 從而有： d (5.4)所以，可取d 標(biāo)準(zhǔn)值為20mm。 按照上面計(jì)算我們可以選擇一標(biāo)準(zhǔn)的液壓缸具體所選液壓缸的參數(shù)如下表格所示： 表5.1 所選液壓缸的參數(shù) 缸徑 mm 活塞桿直徑mm 推力 N 最大行程mm 拉力 N 40 20 125660 1200 94250 5.2推桿的計(jì)算 由于推板內(nèi)為橡膠皮，取摩擦系數(shù)為μ=0.5， 圖5.1 推板橡膠皮受力分析圖 則， （5.5） 已知桿長=280mm, 則 圖5.2 推桿截面圖 桿的彎矩為 （5.6）抗彎截面系數(shù)為 （5.7） 取安全系數(shù) S=2 由 （5.8） （5.9） 所以， 故可取直徑 5.3吊桿的校核 吊桿上需要設(shè)計(jì)兩側(cè)對(duì)稱的液壓缸，特設(shè)計(jì)為截面為空心矩形，吊桿的負(fù)載總質(zhì)量為 圖5.3 吊桿截面圖 則作為吊桿，選擇材料Q255 則 （5.10） （5.11） 試取B=100mm,則由式（5.10）（5.11）可得： 取. 5.4危險(xiǎn)螺栓組聯(lián)結(jié)校核 螺栓組聯(lián)結(jié)承受預(yù)緊力和工作拉力。 負(fù)載時(shí)，F(xiàn)=2689N， 取 由 （5.12） 其中， ————螺栓所承受的負(fù)載； ————螺栓所受的總拉力； ————螺栓的預(yù)緊力； ————螺栓的剛度； ————連接件的剛度； =————螺栓的相對(duì)剛度（0.2~0.3）。 則又由， （5.13） 則， （5.14） 則 （5.15） 則可?。? d=10mm. 5.5小臂的校核 機(jī)器人小臂的形式有很多種，該搬運(yùn)機(jī)器人特設(shè)計(jì)為空心圓柱形式，這種形式既可以減輕重量，又可以增加美觀。選擇材料為Q255。 圖5.4 小臂的截面圖 小臂端的折合負(fù)載為: (5.16) 其中，m為手部所有零部件及化肥總質(zhì)量，此處取m=160kg，重力加速度g取10N/kg，小臂工作時(shí)手部瞬時(shí)加速度為，所以，由式（5.16）求得： 最大彎矩為： （5.17） 空心圓柱的抗彎截面系數(shù)為 （5.18） 應(yīng)滿足的強(qiáng)度條件為 （5.19） 則 (5.20) 即 取D=80mm 則 故可取 d=45mm.。 結(jié)論 1.介紹了袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的基本原理。 2.完成了袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與各零部件的選擇計(jì)算，并提出了經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。 3.對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的主電動(dòng)機(jī)、液壓泵，以及小臂、液壓缸、危險(xiǎn)螺栓組等進(jìn)行了詳細(xì)的選擇及校核計(jì)算。另外，對(duì)機(jī)械手的機(jī)座及手部等進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)。 4.對(duì)袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手其他附屬的輔助裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 5.查閱部分廠家提供的資料，對(duì)需要外購的零部件進(jìn)行具體型號(hào)選擇。 本設(shè)計(jì)雖完成了要求的基本設(shè)計(jì)任務(wù)，但仍有許多不足之處。特別是由于本人在工作經(jīng)驗(yàn)的欠缺，使得在設(shè)計(jì)過程中，最所需零部件沒有一個(gè)主觀的認(rèn)識(shí)，只能通過車月相關(guān)資料進(jìn)行選擇計(jì)算，走了不少的彎路。另外，該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由五個(gè)伺服電機(jī)和一對(duì)液壓缸互相協(xié)調(diào)共同完成，要完成對(duì)袋裝化肥的夾持搬運(yùn)工作需要復(fù)雜的電氣控制系統(tǒng)，由于本人在該方面各不足，對(duì)該部分未作具體設(shè)計(jì)。為此，我感到十分遺憾。今后，我一定努力完善自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)，不斷補(bǔ)充完善該項(xiàng)設(shè)計(jì)。 參考文獻(xiàn) [1] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)3[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998，p20-p55 [2] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)4[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998,p34-p56 [3] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)5[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1998,p44-p78 [4] 張建民.工業(yè)機(jī)械手[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1994,p66-p91 [5] 《工業(yè)袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手》編寫組.工業(yè)袋裝化肥搬運(yùn)機(jī)械手-機(jī)械結(jié)構(gòu)上[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2005,p46-p77 [6] 《機(jī)床設(shè)