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1、立式?jīng)_床吸盤式 上下料機(jī)械手設(shè)計(jì) 姓 名 袁慶 專業(yè)班級(jí) 機(jī)械電子工程 學(xué) 號(hào) 0351169234 指導(dǎo)教師胡均安 日 期200 6 年 6 月 1 日 工程技術(shù)學(xué)院制 摘要： 該立式機(jī)床吸盤式上下料機(jī)械手用于立式機(jī)床自動(dòng)生產(chǎn)線的上下料裝置專用機(jī)械手，完成工件從機(jī)械手工位到機(jī)床工作臺(tái)的位置轉(zhuǎn)換，其全部動(dòng)作既可以自動(dòng)完成，也可以單步手動(dòng)控制完成，此機(jī)械手由手臂伸縮機(jī)構(gòu)，手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，中間座部機(jī)構(gòu)，底座等部分組成，有三個(gè)自由度來滿足生產(chǎn)要，既手臂伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂水平回轉(zhuǎn)及手臂升降運(yùn)動(dòng)。能夠在較大范圍內(nèi)移動(dòng)工件的同時(shí)，隨意改變手爪位置和方

2、向。其運(yùn)動(dòng)均采用液壓方式驅(qū)動(dòng)，其電氣控制采用PLC進(jìn)行控制，將全部工作按順序用PLC編制控制電路，控制電路分為兩部分：自動(dòng)順序控制和單步點(diǎn)控制，為保證機(jī)械手的每一個(gè)動(dòng)作位置的精確度，每一步動(dòng)作的行程末尾采用擋塊定位，進(jìn)一步提高機(jī)械手的自動(dòng)控制能力和位置精度，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)線的效率和工作質(zhì)量。此機(jī)械手在滿足定位精度和工作效率教高的前提下，盡量使其動(dòng)作簡單，易于控制。 關(guān)鍵詞 機(jī)械手，PLC，CAD， [Abstract]:Themanipulatorrefinedlyforgesthemachinetodecendvoluntarilyto expectisusedrefinedlyfo

3、rgesthemachinehandspecialofthenextmaterialdeviceof automaticproductionline,accomplishesthemechanicalhandworkthattheworkpiece fromtherefinedmechanicforgingdoestochangesthepositionmoves,notonlyhis completelymovescanaccomplishvoluntarily,butalsocansinglestephandmoving controlaccomplish.Thismanipulatori

4、ncludesthathandpaw,trickandarmstretch outanddrawbackpartssuchasorganization,armrevolutionorganization,apartof centre,revolutionoiljarandbaseetc,therearefourdegreesoffreedomtocometo satisfytheproductionrequirement,and namely the arm up and down ,trick revolution ,arm standard revolution and its stret

5、ching,He canchangehandpaw positionandthedirectioninthebiggerscopeatwill.Hismovesalltousethe hydraulicoilsystem,andthecontrolofhydraulicpressessystemusesPLCtocontrol, and incites to action completely to move according to the sequence with PLC’s establishmentcontrolcircuit,andthecontrolcir

6、cuitisdividedintotwoparts:Control are put in automaticsequence control and singlestep.Inorder to pledge every one-stepofmanipulatormovestheprecision ofposition,andusesmachinerytobe diedandkeepsoffafixedpositionlocationatthestrokeendofeveryone-stepaction, andraisesautomaticcontrolabilityandthepositio

7、nprecisionofmanipulatorfurther, inordertoraiseefficiencyandtheworkoftheproductionlinequantityfurther.This manipulator moves the unity, and the machinerymovessimply,thustheprecisionand work efficiency is high. [keyword]:manipulator , CAD(computer aided design), PLC.(programmable logic controller).

8、 目 錄 1．概述…………………………………………………………………1 1．1工業(yè)機(jī)械手概述……………………………………… 1．1．1工業(yè)機(jī)器手在生產(chǎn)中的應(yīng)用……………………………………5 1．1．2工業(yè)機(jī)器手的分類……………………………………………… 7 1．1．3工業(yè)機(jī)械手的組成………………………………………………8 1．1．3工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展方向…………………………………………9 1．1．3工業(yè)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)原則……………………………………10 1．2立式機(jī)床上下了機(jī)械手中體設(shè)計(jì)方案的確定……………………………15 1．2．1用途及結(jié)構(gòu)組成…………………

9、………………………………15 1．2．2立式?jīng)_床上下料機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)……………………………16 1．2．3機(jī)械手總體坐標(biāo)形式的選擇……………………………………16 1．2．4主要部件機(jī)構(gòu)方案的選擇………………………………………17 2．內(nèi)容……………………………………………………………………… 12 3．1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算………………………………………………………22 3．1．1手臂和機(jī)身的設(shè)計(jì)………………………………………… 22 3．1．2手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)……………………………………… 26 3．1．2手臂升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………

10、29 4．2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)………………………………………………………30 4．2．1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇……………………………………………30 4．2．2步進(jìn)電機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)………………………… 32 4．2．3機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析……………………………………33 4．3 電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………………………33 4．3．1電控方式的選擇……………………………………………35 4．3．2電控原理……………………………………………… 30 4．3．3電控設(shè)計(jì)………………………

11、………………………………36 3附錄………………………………………………………37 第一部分 工業(yè)機(jī)械手概述 工業(yè)機(jī)械手又稱通用自動(dòng)機(jī)械手，是一種可編程序的自動(dòng)機(jī)械手，它是在五十年代末出現(xiàn)，近年來迅速發(fā)展起來的重要的自動(dòng)化裝置，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化的重要手段，目前，在各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域，為了提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，都采用了各種不同形式，不同功能的機(jī)械手，由于機(jī)械手的出現(xiàn)，在許多生產(chǎn)工藝中都代替了人工，使工業(yè)自動(dòng)化有了較大發(fā)展，這不僅大大的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善了勞動(dòng)條件，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，而且使成批生產(chǎn)有了質(zhì)量技術(shù)保證，就因?yàn)槿绱耍瑱C(jī)械手的設(shè)計(jì)開發(fā)成了目前工業(yè)技術(shù)的重要課題。

12、一，工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛的應(yīng)用于機(jī)加工，鍛壓，鑄造，沖壓，焊接，裝配，噴漆，熱處理。等各個(gè)行業(yè)，特別是在笨重，高溫，有毒，危險(xiǎn)，放射性，多粉塵等惡劣的勞動(dòng)環(huán)境中，機(jī)械手由于有顯著的優(yōu)點(diǎn)而備受重視，以下就幾種重要機(jī)械手作簡單介紹。 1.機(jī)加工自動(dòng)機(jī)械手 各類半自動(dòng)車床，有自動(dòng)夾緊，進(jìn)刀，切削，退刀和松開的功能，但仍需要人工上下料，裝上機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)，一人可看管多臺(tái)機(jī)床，目前，機(jī)械手在這個(gè)方面的應(yīng)用最多，由于這方面使用已有成熟經(jīng)驗(yàn)，國內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類機(jī)床產(chǎn)品出廠時(shí)就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩糇孕邪惭b機(jī)械手提供條件。 國內(nèi)在金屬切削加工中，用機(jī)械手來完成刀具

13、的自動(dòng)更新。如：北京第二機(jī)床廠，上海第二機(jī)床廠等單位研制的加工中心，均采用機(jī)械手自動(dòng)更換刀具，自動(dòng)線上可用機(jī)械手完成傳遞和上下料了，如：無錫柴油機(jī)廠和甘肅汽車齒輪廠加工自動(dòng)線動(dòng)采用了機(jī)械手。 另外，機(jī)械手還能代替人工進(jìn)行打磨，拋光，去毛刺和清理切削等工作。 2.鍛壓機(jī)械手 在鍛造方面，機(jī)械手一般用做加熱爐，鍛壓機(jī)床或沖床的上下料和工件的傳送，其中包括多工位沖床的中間傳送。如：天津第二鍛造廠研究了JS01通用機(jī)械手用于精鍛機(jī)上下料。 3.鑄造機(jī)械手 工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多的實(shí)在鍛壓和熔模鑄造中，也用于澆鑄，造型，制芯及清理工作。美國Dochlcn-jarvis工廠是使用工業(yè)機(jī)械手最多的，約

14、12萬臺(tái)，用于壓型中取出鑄件，然后用噴氣法清洗鑄件表面，該廠使用機(jī)械手后鑄件質(zhì)量得到了改進(jìn)，質(zhì)量穩(wěn)定。 4.焊接機(jī)械手 焊接機(jī)械手也是應(yīng)用較多的，這種機(jī)械手可分為點(diǎn)焊接機(jī)械手和弧焊接機(jī)械手。對(duì)于點(diǎn)焊接機(jī)械手，起手臂能伸縮，俯仰，回轉(zhuǎn)，手腕能彎曲，轉(zhuǎn)動(dòng)，扭轉(zhuǎn)。定位精度±1毫米。機(jī)械手手臂的端部有一只點(diǎn)焊鉗，焊接變壓器裝在機(jī)械手本體上。至于弧焊接機(jī)械手，它的焊炬是作復(fù)雜三維曲線運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)焊接范圍的功能。 5.裝配機(jī)械手 工業(yè)機(jī)械手在裝配中的應(yīng)用，是近幾年國內(nèi)外研究和發(fā)展的一個(gè)重要方面。特別是在汽車制造業(yè)的裝配自動(dòng)化和彈藥裝配等危險(xiǎn)作業(yè)上使用有很大的價(jià)值。目前裝配機(jī)械手正由串聯(lián)結(jié)構(gòu)想并聯(lián)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)

15、換。 二，工業(yè)機(jī)械手的分類 目前，我國工業(yè)機(jī)械手尚無較為統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，一般可按機(jī)械手的規(guī)格功能或用途來分類。 1. 若按照規(guī)格既所搬運(yùn)工件的重量來分類，可分為以下幾類： 1） 微型機(jī)械手——指搬運(yùn)重量在1Kg以下。 2） 小型機(jī)械手——指搬運(yùn)重量在10 Kg以下。 3） 中型機(jī)械手——指搬運(yùn)重量在50 Kg以下。 4） 大型機(jī)械手——指搬運(yùn)重量在500Kg以上。 2. 按功能分類 1）.簡易型工業(yè)機(jī)械手 它可分為固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轉(zhuǎn)鼓或擋快轉(zhuǎn)鼓控制，可變程序用插銷板或轉(zhuǎn)鼓控制來給定程序。近年來普遍采用可編程控制器（PLC）組成控制系統(tǒng)，這種機(jī)械手多為氣

16、動(dòng)或者液壓動(dòng)力，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，改變程序教容易。目前這種工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多。 2）記憶再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)械手 這種工業(yè)機(jī)械手由人工通過示教裝置領(lǐng)動(dòng)一遍，由記憶元件把程序記錄下來，以后機(jī)械手就自動(dòng)按照記憶的程序重復(fù)進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作。 3）計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的機(jī)械手 可通過更換孔帶或者其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機(jī)械手的動(dòng)作程序，還可以進(jìn)行多機(jī)控制。 4）智能工業(yè)機(jī)械手（機(jī)器人）有電子計(jì)算機(jī)通過各種傳感元件等進(jìn)行控制，具有視覺，熱覺，觸覺，行走機(jī)構(gòu)等。 3.按用途分類 1）專用機(jī)械手 這種機(jī)械手的工作對(duì)象不變，動(dòng)作固定，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，適用于成批，大量生產(chǎn)的生產(chǎn)自動(dòng)線或?qū)C(jī)作為自動(dòng)上下料用，

17、2）通用機(jī)械手具有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，程序可變.動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手，該機(jī)械手工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于經(jīng)常變換的中，小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。 三.工業(yè)機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu).驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成的。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)由抓取部分既吸盤，臂部，和行走機(jī)構(gòu)等機(jī)構(gòu)部件組成。對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，一般有氣動(dòng)，液動(dòng)，電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。目前常用的是氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，電動(dòng)式用于小型，機(jī)械式只適用于動(dòng)作簡單的場合。控制系統(tǒng)有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)使用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制.微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。 四.工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展方向 世界各國都很重視工業(yè)機(jī)械手的

18、應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用在我過還屬于起步階段，就顯示出了許多的無法替代的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)工業(yè)機(jī)械手在我國的發(fā)展，應(yīng)做好以下工作： 1.改變目前多用于冷加工的狀況，針對(duì)笨重，高溫，有毒，危險(xiǎn)，放射性，高粉塵，易燃易爆，單調(diào)惡劣勞動(dòng)環(huán)境，有計(jì)劃有步驟的推廣應(yīng)用機(jī)械手。 2.改變目前串聯(lián)結(jié)構(gòu)的裝配機(jī)械手，向串----并結(jié)合的方向發(fā)展。 3.加強(qiáng)機(jī)械手基礎(chǔ)性能的實(shí)驗(yàn)以及基礎(chǔ)理論研究，克服和解決制造技術(shù)及其他存在的問題。 4.提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度。尤其是應(yīng)用于沖壓行業(yè)中的機(jī)械手，以適應(yīng)提高生產(chǎn)率和符合生產(chǎn)節(jié)拍的需要，要研究解決機(jī)械手的定位，緩沖技術(shù)。 5.盡快解決機(jī)械手的定型設(shè)計(jì)

19、，定點(diǎn)，定量生產(chǎn)以及配套件的生產(chǎn)和供應(yīng)問題，推進(jìn)機(jī)械手設(shè)計(jì)制造中的餓現(xiàn)代化，標(biāo)準(zhǔn)化，系列化工作，以滿足國內(nèi)外市場的需求。 6.具有感知能力，并能對(duì)感知的信息作出反應(yīng)的工業(yè)機(jī)械手是今后研發(fā)方向。會(huì)持續(xù)增長，只要技術(shù)和價(jià)格方面存在問題得到解決，機(jī)械手的應(yīng)用必將會(huì)飛躍發(fā)展。 五.工業(yè)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)原則 工業(yè)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)任務(wù)主要是進(jìn)行機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，確定主要工作參數(shù)，選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后繪出方案草圖?？傮w設(shè)計(jì)之后要進(jìn)行各部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)和計(jì)算，包括主要構(gòu)件強(qiáng)度，剛度，驅(qū)動(dòng)力等的校核驗(yàn)算。 1、 運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)及主要參數(shù)確定 1）、運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它包括選用機(jī)械

20、手的運(yùn)動(dòng)形式和確定自由度數(shù)，通過機(jī)械手為了滿足不同生產(chǎn)線上的要求，通常是4—6個(gè)自由度。專用機(jī)械一般只用2—3個(gè)自由度就能滿足特定的工藝要求。專用機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)條件選擇最合理的運(yùn)動(dòng)形式，最少的自由度數(shù)，達(dá)到機(jī)械 構(gòu)最簡單。 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)取決于生產(chǎn)工藝、主機(jī)與料道空間位置和工件在料道上的方向。從目前的各種資料來看、專用機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)要采用多種方案進(jìn)行比較的方法，對(duì)自由度、運(yùn)動(dòng)路程的長短、定位點(diǎn)數(shù)目等要求進(jìn)行全面的分析。自由度數(shù)少、運(yùn)動(dòng)路程短、定位點(diǎn)少，可使機(jī)械 構(gòu)簡單，運(yùn)動(dòng)速度低。容易使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，定位準(zhǔn)確。 機(jī)械手常見的運(yùn)動(dòng)形式為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)（如圖所示）、球

21、坐標(biāo)和關(guān)節(jié)式坐標(biāo)四種。同一運(yùn)動(dòng)形式，為了適用于不同的生產(chǎn)要求可采用不同的結(jié)構(gòu) 圓柱坐標(biāo) 2）、確定主要參數(shù) a 、最大工作范圍 根據(jù)選定的運(yùn)動(dòng)形式，按需要決定每個(gè)自由度的最大行程，根據(jù)行程既可繪出機(jī)械手最大的工作范圍。機(jī)械手自由度的最大行程就是部件設(shè)計(jì)時(shí)的行程。有時(shí)為了安裝調(diào)整方便，設(shè)計(jì)時(shí)將數(shù)值略為增大，然后依靠定位擋快調(diào)整其準(zhǔn)確的定位點(diǎn)。 b 、運(yùn)動(dòng)速度 行程確定之后，根據(jù)給定的工作節(jié)拍分配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，總的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于或等于工作節(jié)拍。如果兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，按時(shí)間較長的計(jì)算。根據(jù)動(dòng)作時(shí)間和行程既可計(jì)算運(yùn)動(dòng)速度。分配個(gè)動(dòng)作應(yīng)考慮以下要求： 動(dòng)作給定時(shí)間應(yīng)大于電氣元件執(zhí)行時(shí)間

22、。 通常機(jī)械手回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)慣性大于伸縮運(yùn)動(dòng)，因此時(shí)間分配上要使回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的線速度小于伸縮運(yùn)動(dòng)的速度。 在工作節(jié)拍短，動(dòng)作多的情況下，常采用幾個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。為此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，保證動(dòng)作同步。 c 、定位精度 定位精度取決于手臂的剛度，緩沖裝置的形成和定位方法。機(jī)械手達(dá)到所要求的精度有困難時(shí)，通常采用輔助工夾具協(xié)助定位的方法。利用工夾具的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工件的最后定位。這種方法既保證工藝要求又可降低多機(jī)械手的定位要求 2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)，氣壓驅(qū)動(dòng)和機(jī)械聯(lián)動(dòng)四種。一臺(tái)機(jī)械手可以用一種方式驅(qū)動(dòng)，也可以用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。 3、電器控制系統(tǒng)的選擇 機(jī)械手點(diǎn)控

23、系統(tǒng)有各種類型，除了通用機(jī)械手外，絕大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。工業(yè)機(jī)械手的電器控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動(dòng)作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序，應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動(dòng)、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動(dòng)等都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運(yùn)動(dòng)部件沿各坐標(biāo)軸的動(dòng)作按照預(yù)先制定好的程序來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于工業(yè)機(jī)械手來說，電氣控制的檢測機(jī)構(gòu)有較重要的作用。檢測是為進(jìn)行比較和判斷提供依據(jù)，是操作和控制的基礎(chǔ)。常用的位置檢測元件有。 1） 行程開關(guān) 這種開關(guān)有稱限位開關(guān)，主要用于將機(jī)械位移轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，或控制有關(guān)電磁閥動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的定位或進(jìn)行行程控制

24、。行程開關(guān)由微型開關(guān)、操作機(jī)構(gòu)及外殼組成，通常是將他們與固定式或可調(diào)式擋快配合使用，利用裝在機(jī)械手不見上的擋快，觸動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，使微型開關(guān)觸頭閉合或斷開。 2） 接近開關(guān) 這種開關(guān)主要利用接近體與檢測線圈間的電磁感應(yīng)作用來檢測位置，是一種無觸點(diǎn)行程開關(guān)。 3） 電位器 電位器的結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號(hào)大，可測直線和角度位移，使用方便，價(jià)格低。起缺點(diǎn)是分辨率不高，放大器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)有一定的死區(qū)，因而控制精度不高。 4、總體設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題 1）、結(jié)構(gòu)布置上的要求 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)械手的使用的可靠性，并可延長壽命，在結(jié)構(gòu)布置上要注意以下幾點(diǎn)：

25、 a 、手臂要防止偏重 在設(shè)計(jì)手臂，手腕結(jié)構(gòu)時(shí)要盡量使其重心在支撐中心，防止對(duì)支撐中心的偏重。手臂偏重會(huì)引起導(dǎo)向裝置不均勻的磨損，運(yùn)動(dòng)中心會(huì)引起機(jī)械手震動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)回造成運(yùn)動(dòng)卡死。通常采用以下措施： b 、減輕手部的重量，減少偏重載荷?？刹捎娩X合金制造手部。 c 、合理分布手部重量增加平衡重，使手臂平衡。 d 、某些機(jī)械手的結(jié)構(gòu)上無法避免偏重，則應(yīng)加強(qiáng)導(dǎo)向支撐，盡力減低偏重對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。 2）、加強(qiáng)手臂剛度 選取手臂結(jié)構(gòu)時(shí)要注意各個(gè)方向的剛度。提高手臂剛度是減少手部顫動(dòng)的關(guān)鍵，有利于提高定位精度。手部的剛度決定其斷面的形狀和導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)。 3）、改進(jìn)緩沖裝置的提高配合精度 機(jī)械

26、手緩沖專職是保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和減少震動(dòng)的主要措施。沖擊產(chǎn)生有兩種：一是機(jī)械沖擊，它是由手臂運(yùn)動(dòng)中與定位裝置相碰撞而產(chǎn)生的，可靠緩沖裝置消除。另一種是液壓系統(tǒng)動(dòng)作是產(chǎn)生的沖擊。這種沖擊產(chǎn)生于管路中，仍會(huì)引起機(jī)械手振動(dòng)，要靠改進(jìn)液壓需要的設(shè)計(jì)來解決。 提高部件的配合精度，減少間隙都有利于運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)。特別是高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手更要保證加工精度和間隙配合。 機(jī)械手的緊固件在運(yùn)動(dòng)中受變載荷的作用，必須采取防松措施。 5、工藝要求 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了決定于運(yùn)動(dòng)外，還決定于工藝要求，工藝要求分為兩類： 1）、使用環(huán)境的影響，如高溫工作，海底作業(yè)，原子能作業(yè)等。機(jī)械手結(jié)構(gòu)要符合特殊的環(huán)境的要求。 2）、

27、主機(jī)和輔助設(shè)備工作特點(diǎn)的影響，如制造要求機(jī)械手抗震。沖壓要求高速，多品種產(chǎn)生要求手部通用或能夠快換等，因此必須充分研究工藝對(duì)機(jī)構(gòu)的影響。 6、液壓執(zhí)行元件的選擇 液壓機(jī)械手起執(zhí)行元件多用活塞油缸，擺動(dòng)油缸及液壓馬達(dá)。每種執(zhí)行元件可以直接或間接與輸出軸聯(lián)結(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的動(dòng)作。各元件的特點(diǎn)如下： 1）、活塞油缸 活塞油缸加工容易，密封簡單，啟動(dòng)反映快，易于制動(dòng)。因此除了做直線運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件外，常經(jīng)過齒條，齒輪等機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。太長的活塞油缸加工困難。 2）、擺動(dòng)油缸 擺動(dòng)油缸加工困難，密封要求高，容易產(chǎn)生泄露。擺動(dòng)油缸尺寸小，重量輕，有利于簡化機(jī)械手結(jié)構(gòu)，常用于手腕回轉(zhuǎn)和中

28、小型機(jī)械手手臂的回轉(zhuǎn)。 3）、液壓馬達(dá) 油馬達(dá)成本較高。使用時(shí)，需油量不大而且穩(wěn)定。泄露雖然較大，但一般在降速狀態(tài)下使用，因此輸出扭矩比較穩(wěn)定。采用油馬達(dá)傳動(dòng)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單特別適用于較大回轉(zhuǎn)角的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有利于降低整機(jī)重量。 7.油管布置 油路布置是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要問題，機(jī)械手常用油路為油管、氣管、水管以及電氣線路。管路布置的基本要求是：牢固、整齊、便于維修。機(jī)械手常采用內(nèi)外走管相結(jié)合的走管形式。一般情況下，內(nèi)部走管多利用缸臂和活塞桿鉆孔通油，在導(dǎo)向桿內(nèi)安裝伸縮管通油，在立柱中鉆孔安裝配油盤等。外部走管常采用活動(dòng)軟管通油，此種油管通油比較方便，軟管還能吸收液壓沖擊能。起缺點(diǎn)是容易碰

29、斷和纏繞，要采取防護(hù)措施。 一般來說手部和腕部采用內(nèi)部走管便于手臂運(yùn)動(dòng)，而手臂和機(jī)身采用軟管連接為好。 第二部分 立式機(jī)床吸盤式上下料機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案的確定 一、 用途及結(jié)構(gòu)組成 該立式機(jī)床吸盤式上下料機(jī)械手的作用是將工件搬運(yùn)到機(jī)床上鍛造后去下并送到下一道工序中。此機(jī)械手主要由吸盤，手臂伸縮機(jī)構(gòu)，手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，手臂升降機(jī)構(gòu)，中間座部件，底部等幾大部分和其他一些附件所組成。 二、 立式機(jī)床吸盤式上下料機(jī)械手的規(guī)格參數(shù) 抓重： 10Kg 自由度數(shù)： 3個(gè) 坐標(biāo)形式：

30、 圓柱坐標(biāo) 最大工作半徑： 1000mm 手臂伸縮范圍： 0~500mm 手臂伸縮速度： 伸出170mm/s 縮回133mm/s 手臂回轉(zhuǎn)范圍： 0°~200°(實(shí)際使用95°) 手臂回轉(zhuǎn)速度： 63°/s 三、 機(jī)械手總體坐標(biāo)形式的選擇 根據(jù)人工電葫蘆吊料裝置的上下料動(dòng)作類似于直角坐標(biāo)形式。考慮到圓柱坐標(biāo)形式占地面積而動(dòng)作范圍大的 特點(diǎn)，確定圓柱坐標(biāo)形式。 圓柱坐標(biāo)形式 四、 主

31、要部件機(jī)構(gòu)方案選擇 1、手部結(jié)構(gòu)的選擇方案 手部是用來直接接觸工件的部件，由于被握持工件的形狀、大小、尺寸、重量、材料性能、表面狀況等不同，其手部結(jié)構(gòu)也不同。常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分為夾持式和吸附式兩大類，對(duì)于夾持類手部按其手指夾持工件時(shí)運(yùn)動(dòng)方式，可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種。如圖： 1）單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 2）雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型 3）平移型手指 方案一 平移型手指 對(duì)于平移型手指，其手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng)，適合夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓直徑棒時(shí)，不會(huì)一起中心位置的偏移。但這種手指結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，要求加工精良度高。 方案二 回轉(zhuǎn)型手指 回

32、轉(zhuǎn)型手指的張開閉合靠手指根部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來完成。這種手指結(jié)構(gòu)簡單，形狀小巧，使用于夾持棒料，目前應(yīng)用較廣泛。一般典型的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)有滑槽杠桿和楔型塊式等 吸附式手部可分為磁力吸盤、真空式吸盤： 真空式吸盤根據(jù)真空產(chǎn)生的原理可以分為三種： 1）、真空式吸盤；這種吸盤比其他吸盤的吸力大， 2）、氣流負(fù)壓吸盤；在工廠一般有空壓機(jī)，氣源比較容易解決，不需要專門給機(jī)器配備真空泵，所以這種吸盤在工廠使用比較方便； 3）、擠氣負(fù)壓吸盤；這種吸盤比較經(jīng)濟(jì)，可靠性相對(duì)比較低。 由于本設(shè)計(jì)是在工廠使用的機(jī)床上下料機(jī)械手，因此選用比較合適的第二種吸盤方式。 2.臂部機(jī)構(gòu)的選擇方式 手臂部件是機(jī)械手的主要握

33、持部件，它的作用是支撐腕部和手部，并帶動(dòng)它們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的是把手部空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部姿態(tài)，則用腕部加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的 伸縮，左右回轉(zhuǎn)和 升降運(yùn)動(dòng)。 對(duì)于臂部應(yīng)承載的 伸縮能力大、剛度好。自重輕、慣性小、動(dòng)作靈活，為此為了減少臂部重量，一般采用鋁合金等輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料。 1）、手臂伸縮機(jī)構(gòu)的方案選擇 對(duì)于手臂的伸縮機(jī)構(gòu)又以下幾種方案可供選擇： 方案一 雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)手臂的伸縮缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿均受拉壓，故受力簡單，傳動(dòng)平穩(wěn)。 方案二 雙層液壓缸空心活

34、塞桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是工作液壓缸容積小、運(yùn)動(dòng)速度快、伸縮范圍大、缸內(nèi)走管。外形整齊、活塞桿直徑大，增加手臂剛性。 方案三 滑枕導(dǎo)向伸縮機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)導(dǎo)向裝置采用燕尾形滑枕，其導(dǎo)向性性能非常好，手臂剛度較大、工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，油管采用伸縮油管形式，很好的保護(hù)了油管。此外，此機(jī)構(gòu)的定位精度高。 由于此機(jī)械手抓重較大，屬于中型機(jī)械手，考慮到滑枕導(dǎo)軌剛度大且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，選用方案三較適合。 2）、手臂升降機(jī)構(gòu)方案的選擇 一般情況下，手臂升降機(jī)構(gòu)可采用的結(jié)構(gòu)方案有： 方案一 雙作用式油缸實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，同單作用式油缸相比，這種油缸的應(yīng)用廣泛的多，壓力油可代替向活塞兩側(cè)供給，驅(qū)動(dòng)活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。其

35、推拉兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)速度和供油壓力可以控制，這樣一來，其定位精度較高。 方案二 采用花鍵導(dǎo)向的手臂升降結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)式內(nèi)部導(dǎo)向，活塞桿直徑大，剛度大，傳動(dòng)平穩(wěn)。 為了提高機(jī)械手的定位精度，選用雙作用式油缸實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu) 3）、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的選擇 手臂回轉(zhuǎn)通常由機(jī)身部件來實(shí)現(xiàn)，常用的有以下幾種典型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組合有回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的機(jī)身結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)、活塞缸和齒輪結(jié)構(gòu)。由于前兩種結(jié)構(gòu)所采用的花鍵軸承受扭矩大且剛性差，故擬采用活塞缸和齒輪結(jié)構(gòu)。 五、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方案選擇 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按動(dòng)力源分為液壓、氣動(dòng)和電動(dòng)三大類。根據(jù)需要也可以由這三種基本類型組

36、合完成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 方按一 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)式一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，適用與承載能力大、慣量大以及在防暴環(huán)境中工作的機(jī)械手。 方按二 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、價(jià)格低等特點(diǎn)，適用于中、小負(fù)載的系統(tǒng)中。但難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中。 方案三 電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器的 廣泛使用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也應(yīng)用較多。 考慮本機(jī)械手的實(shí)際使用情況，因此宜選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大

37、要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。 1、步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。 2、靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要

38、考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來（幾何尺寸） 3、電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循以下步驟： 第三部分 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 一、 臂部和機(jī)身的設(shè)計(jì) 1、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 臂部結(jié)構(gòu)應(yīng)具有承載能力大，剛度好和自重輕的特點(diǎn)，另外其位置精度要求高。本機(jī)械手手臂運(yùn)動(dòng)形式有手臂伸縮和升降的直線運(yùn)動(dòng)，有手臂左右擺動(dòng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 1）、手臂伸縮機(jī)構(gòu) 該機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、中

39、間架體、滑枕、等組成，中間架體的底部和中間座聯(lián)接，手臂右端出口處手腕和機(jī)械手抓手步進(jìn)電動(dòng)機(jī)部分聯(lián)接，當(dāng)手臂伸縮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出動(dòng)力后連動(dòng)鏈條帶動(dòng)滑枕上的定滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪連動(dòng)滑枕做前后運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其行程大小靠擋塊和行程開關(guān)來調(diào)整，伸出端在可調(diào)式定位螺釘上，確保定位精度，手臂伸縮導(dǎo)向裝置采用燕層形滑枕，導(dǎo)向性能好，手臂剛度大，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。 2）、臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 考慮到在常用的機(jī)械傳動(dòng)中，以齒輪的效率最高（一級(jí)圓柱齒輪傳動(dòng)下率可達(dá)99％）在同樣的使用條件下，齒輪結(jié)構(gòu)最緊湊，另外是齒輪傳動(dòng)工作可靠，壽命長，且其傳動(dòng)比穩(wěn)定等因素，本機(jī)構(gòu)擬采用步進(jìn)電機(jī)及圓柱齒輪和手臂底等組成的行星輪系來

40、實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)回步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)輸出軸和行星齒輪自轉(zhuǎn)，由于行星齒輪與相對(duì)固定中心輪億齒合迫使行星輪產(chǎn)生一個(gè)公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)手臂繞軸線回轉(zhuǎn)，而為手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手臂實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)角度為180°，步進(jìn)電機(jī)在機(jī)件外部，因而安裝維修方便，該步進(jìn)電機(jī)還能起到部分的平衡作用。 2、步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理比較簡單。下面先敘述三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)原理。 1、結(jié)構(gòu)： ?????電機(jī)轉(zhuǎn)子均勻分布著很多小齒，定子齒有三個(gè)勵(lì)磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉(zhuǎn)子齒軸線錯(cuò)開。 0、1/3て、2/3て,（相鄰兩轉(zhuǎn)子齒軸線間的距離為齒距以て表示），即A與齒1相對(duì)齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/3て，C與齒3

41、向右錯(cuò)開2/3て，A'與齒5相對(duì)齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉(zhuǎn)子的展開圖： 2、旋轉(zhuǎn)： ???????如A相通電，B，C相不通電時(shí)，由于磁場作用，齒1與A對(duì)齊，（轉(zhuǎn)子不受任何力以下均同）。 ????? 如B相通電，A，C相不通電時(shí)，齒2應(yīng)與B對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子向右移過1/3て，此時(shí)齒3與C偏移為1/3て，齒4與A偏移（て-1/3て）=2/3て。 如C相通電，A，B相不通電，齒3應(yīng)與C對(duì)齊，此時(shí)轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て，此時(shí)齒4與A偏移為1/3て對(duì)齊。 　 ?如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對(duì)齊，轉(zhuǎn)子又向右移過1/3て ???? 這樣經(jīng)過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即

42、齒1前一齒）移到A相，電機(jī)轉(zhuǎn)子向右轉(zhuǎn)過一個(gè)齒距，如果不斷地按A，B，C，A……通電，電機(jī)就每步（每脈沖）1/3て,向右旋轉(zhuǎn)。如按A，C，B，A……通電，電機(jī)就反轉(zhuǎn)。 ???? 由此可見：電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。而方向由導(dǎo)電順序決定。 ???? 不過，出于對(duì)力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BC－C-CA-A這種導(dǎo)電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3て改變?yōu)?/6て。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3て變?yōu)?/12て，1/24て，這就是電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的基本理論依據(jù)。 ??? 不難推出：電機(jī)定子上有m相勵(lì)磁繞阻，其軸線分別與轉(zhuǎn)子齒軸線偏

43、移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且導(dǎo)電按一定的相序電機(jī)就能正反轉(zhuǎn)被控制——這是步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進(jìn)電機(jī)，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。?? 3、力矩： ???? 電機(jī)一旦通電，在定轉(zhuǎn)子間將產(chǎn)生磁場（磁通量Ф）當(dāng)轉(zhuǎn)子與定子錯(cuò)開一定角度產(chǎn)生力 F與（dФ/dθ）成正比 S 其磁通量Ф=Br*S Br為磁密，S為導(dǎo)磁面積 F與L*D*Br成正比 L為鐵芯有效長度，D為轉(zhuǎn)子直徑 Br=N·I/R N·I為勵(lì)磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）R為磁阻。 力矩=力*半徑 力矩與電機(jī)有效體積*安匝數(shù)

44、*磁密 成正比（只考慮線性狀態(tài)） 因此，電機(jī)有效體積越大，勵(lì)磁安匝數(shù)越大，定轉(zhuǎn)子間氣隙越小，電機(jī)力矩越大，反之亦然。 二、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1）、手臂回轉(zhuǎn)時(shí)所需的啟動(dòng)力矩 驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)力矩M驅(qū)，應(yīng)當(dāng)與手臂啟動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣及個(gè)密封裝置的摩擦阻力矩M封相平衡。 M驅(qū)=M慣+M封 式中：M封——密封裝置處的摩擦力矩（N×m），一般取M封=0.1M驅(qū) M慣=JOVε=JO△W/△t △W——回轉(zhuǎn)的角速度變換 △t——啟動(dòng)過程 JO——手臂回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為了計(jì)算需要將手臂等效為一個(gè)圓柱體，其等效高1000mm，直徑240mm，其所受重力為2000N。 JO

45、=1/12×2000/10×（12+3×0.122） =17.48Nms2 △W=60/80×3.14=1.099rad/s 取響應(yīng)時(shí)間 △t=0.47s 代入： M慣=17.48×1.099/0.47=40.9Nm M驅(qū)=0.1 M驅(qū)+17.48+40.9 =64.87Nm 2、手臂回轉(zhuǎn)輪齒輪設(shè)計(jì) 選定齒輪的類型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 1）齒輪傳動(dòng)就裝置類型來說，有開式，半開式和封閉式之分；開式傳動(dòng)齒輪適用于低速傳動(dòng)，由于本機(jī)械手的回轉(zhuǎn)速度很低，故可采用開式直齒圓柱齒輪，為減輕重量，采用腹板式。 2

46、）機(jī)械手為一般共況下的工作機(jī)器，速度不高，故選用7級(jí)精度即可。 3）材料的選擇 一般對(duì)齒輪尺寸較大，工作速度較低、周圍環(huán)境粉塵含量極高的工作狀況下，往往選擇鑄鋼和鑄鐵等材料，其耐磨性及強(qiáng)度都較好。 4）選擇齒輪齒數(shù) 對(duì)于齒輪傳動(dòng)，由于輪齒主要為磨損失效，為使輪齒不至于過少，故不宜選用過多的齒數(shù)，一般可取Z=17~20這里取Z=20 按齒面接觸強(qiáng)度計(jì)算 由于設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算 d1≥2.323√（K1T1/Фd）[（u+1）/u]（ZE/[бH]2 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值： 1）選載荷系數(shù)K=1.3 2）計(jì)算齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 選取電機(jī)功率P=7.5KW n=11r/min

47、 T=95.5×105×7.5/11 =6.5×106N.mn 3）選取鋸齒寬度系數(shù)фb=0.4 4）材料彈性影響系數(shù)ZE=188.9Mpa0.5 5）按齒面硬度得小齒輪的接觸極限為580Mpa 6）由計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 設(shè)其工作壽命為12年，每年工作300天，兩班制則 N=60njLh=3.8×107 7）接觸疲勞壽命系數(shù)KHN=0.96 8）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%，安全系數(shù)為s=1 由公式 [бH]= KHNбHLim/s=551Mpa 計(jì)算： 1）計(jì)算齒輪分度圓直徑 代入公式得352.8mm 2）計(jì)算圓周速度v=Лdn/60000=2.0

48、3m/s 3）計(jì)算齒寬b b=141.12mm 4）按實(shí)際載荷系數(shù)校核分度圓直徑 載荷系數(shù)K=KAKVKHβHA =1×1.09×1.2×1.37 =1.53 故d=370mm 中心輪 與星形相噘和的中心齒輪直接固定在手臂中心支架上，由于其傳動(dòng)比Z2/Z1=20 分度圓直徑為370mm 模數(shù)m=p/Л=D/Z=18.5mm 齒寬為141mm 校核驗(yàn)算 F=2T/d=3513.5N KAF1/b=24.9N/mm 故合適 三、手臂升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1）、手臂作升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力 驅(qū)動(dòng)力F=F慣+F

49、摩+F密+F回+G 式中F慣——起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，鏈條所受平均慣性力， F慣=(G/g)(△v/△t) G——參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重，G=5600N △v——由靜止加速到常速的變化量； △t——啟動(dòng)過程時(shí)間，一般取0.01~0.5S，這里取△t=0.03S 取液壓缸工作壓力P=1.6Mpa F慣=5600/9.8×0.102/0.03=194209N F摩——摩擦阻力，=0.32f F回——步進(jìn)電動(dòng)機(jī)自身停滯所造成的阻力，按F回=0.05P來計(jì)算； 代入驅(qū)動(dòng)力F的計(jì)算公式得，F(xiàn)=1.5×104N。 第四部分 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一、 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 1、 各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特

50、點(diǎn) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為機(jī)械手提供運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力，是運(yùn)動(dòng)源。啟動(dòng)系統(tǒng)按驅(qū)動(dòng)介質(zhì)的不同可分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)，也可采用幾種方式聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。下面介紹三類主要系統(tǒng)的特點(diǎn)： 1）、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 液壓驅(qū)動(dòng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：液體壓力高，可以獲得較大的輸出力；油液壓縮性小，壓力、流量均易控制，可以實(shí)現(xiàn)無機(jī)調(diào)速；反應(yīng)靈敏，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制；在輸出相同力的情況下，機(jī)構(gòu)的體積小、維護(hù)方便。 2）、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、價(jià)格低的特點(diǎn)，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中。但難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機(jī)械手中。如上下料和沖壓系統(tǒng)中應(yīng)用較多。 3）、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)

51、矩的交直流伺服電機(jī)及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器的確廣泛應(yīng)用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械手中被大量選用。 2、工業(yè)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，選擇哪一類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。要根據(jù)機(jī)械手的用途、作業(yè)要求、機(jī)械手的性能規(guī)范、控制功能、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、性能與價(jià)格比以及現(xiàn)有條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合上述各因素充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟(jì)性及可靠性進(jìn)行綜合選擇。一般情況下，對(duì)于物料搬運(yùn)，重負(fù)荷的可選液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)荷的可選電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)荷的可選氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 由于上述特點(diǎn)，根據(jù)本次設(shè)計(jì)的機(jī)床的情況，選用中型驅(qū)動(dòng)程序。本次設(shè)計(jì)的立式機(jī)床吸盤式自動(dòng)上下料機(jī)械手也

52、是采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)。但是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)也有其缺點(diǎn)： 1、步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。 2、步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。 3、由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過要考

53、慮溫升。 4、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。 5、電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。 6、高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少，其被淘汰的說法是外行話。 7、電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。 8、電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來驅(qū)動(dòng)。 ??????? 9、應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。 二、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)

54、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)在機(jī)械手中所起的作用是通過電轉(zhuǎn)換元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)電動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)械手臂按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。電機(jī)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線帶動(dòng)或通過鏈條、齒輪進(jìn)行作用力，由于實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮升降及手臂的回轉(zhuǎn)。連續(xù)做功的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 三、機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析 2、立式機(jī)床吸盤式上下料機(jī)械手動(dòng)作順序 立式機(jī)床吸盤式上下料機(jī)械手動(dòng)作順序： 油泵啟動(dòng)待料——手臂定位——手臂外伸——手臂下降——吸盤抓料——手臂縮回——手臂回轉(zhuǎn)——手臂第2次前伸——吸盤出氣松開——手臂第2次縮回——手臂上升——手臂反轉(zhuǎn)復(fù)位——待料卸荷（循環(huán)結(jié)束） 上述動(dòng)作均由

55、電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)向閥按程序指令的順序來實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作的循環(huán)和連續(xù)上料過程。 第五部分 電器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 一、電控方式的選擇 電控線路輔助步進(jìn)電機(jī)控制機(jī)械手自動(dòng)完成工件的上下料運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手的電控有多種類型。除專用機(jī)械手外，大多數(shù)要專門進(jìn)行電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)控制程序的不同，電控方式分為固定程序，包括繼電器線路、半導(dǎo)體邏輯線路、可編程序，包括順序控制器，示教再現(xiàn)式計(jì)算機(jī)。如圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路圖： 繼電器控制功能單一，靈活性、穩(wěn)定性、可靠性均較低，而且設(shè)備維護(hù)維修不便。 可編程序控制器是微機(jī)技術(shù)與繼電器常規(guī)控制技術(shù)性結(jié)合的產(chǎn)物，是在順序控制器和微機(jī)控制器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的

56、新型控制器，是一種以微處理器為核心用做數(shù)字控制的專用計(jì)算機(jī)。PLC現(xiàn)已成為現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一，以其可靠性高、邏輯功能強(qiáng)、體積小、可在線修改控制程序、具有遠(yuǎn)程通訊聯(lián)網(wǎng)功能、易于與計(jì)算機(jī)接口、能對(duì)其模擬量進(jìn)行控制、具備高速計(jì)數(shù)與位移等高性能模塊等優(yōu)異性能 采用PLC自動(dòng)控制，不僅使電控系統(tǒng)構(gòu)成簡單，省去了諸如繼電器之類的固體電子器件，簡化了復(fù)雜的硬件接線線路，而且可以使控制極具柔韌性和擴(kuò)展性。 與繼電邏輯電路相比，具有體積小、功耗低、壽命長、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。調(diào)試、維護(hù)、使用極為方便。 二、電氣控制原理 1、順序動(dòng)作控制 順序動(dòng)作控制的編程方式很多，如逐步鎖定法、步進(jìn)指

57、令法、移位寄存器法，這里采用移位寄存器法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡便、易讀、條理清晰，尤其適合于很多小的動(dòng)作組成的整套動(dòng)作。特別是避免了前面的多個(gè)電磁閥、行程開關(guān)的閉和斷開的相互約束，而導(dǎo)致后面梯形圖難于畫，編程復(fù)雜及程序的可讀性和梯形圖的可觀性差諸多缺點(diǎn)。 2、具體控制方式 根據(jù)設(shè)備和工藝的要求，該機(jī)械手需要三種控制方式：步進(jìn)調(diào)試控制、半自動(dòng)單周期操作方式和連續(xù)自動(dòng)循環(huán)操作方式。 1）、步進(jìn)調(diào)試控制 機(jī)械手在原位時(shí)，每按下按扭，機(jī)械手按動(dòng)作的固定順序動(dòng)作一步。 2）半自動(dòng)單周期操作方式 機(jī)械手在原位時(shí)，按下啟動(dòng)按扭等，機(jī)械手執(zhí)行周期動(dòng)作。當(dāng)按下復(fù)位按扭，機(jī)械手重新周期動(dòng)作。 3）連續(xù)

58、自動(dòng)循環(huán)操作方式 將相應(yīng)的按扭一直接通，機(jī)械手連續(xù)自動(dòng)循環(huán)工作。 三、電氣控制設(shè)計(jì) 1、機(jī)械手工藝流程示意圖 機(jī)械手工藝流程示意圖 2、機(jī)械手動(dòng)作順序表 步序 輸入條件 輸出狀態(tài) 手臂外伸 手臂縮回 吸盤出氣 手臂上升 手臂下降 手臂定位 手臂回轉(zhuǎn) 手臂復(fù)位 小泵卸荷 大泵卸荷 燈 原點(diǎn) 7ST 3ST — — — — — — — — — — + 待料卸荷 1SB — — — — — — — — + + — 手臂 定位 2SB — — — — — + — — — + — 手

59、臂 外伸 KP + — — — — + — — — + — 手指 張開 1ST — — + — — + — — — + — 手指 夾緊 KT1 — — — — — + — — — + — 手臂 下降 KT2 — — — — + + — — — + — 手臂 縮回 2ST — + — — — + — — — + — 手臂 回轉(zhuǎn) 4ST — — — — — — + — — + — 手臂 再次 前伸 5ST + — —

60、— — + — — — + — 手指 松開 6ST — — + — — + — — — + — 手指 閉合 手臂 縮回 KT3 — + — — — + — — — + — 手臂 上升 3ST — — — + — + — — — + — 手臂 反轉(zhuǎn) 復(fù)位 8ST — — — — — — — + — — — 原位 9ST — — — — — — — — — — + 總結(jié) 該立式機(jī)床吸盤式上下料機(jī)械手用于立式機(jī)床自動(dòng)生產(chǎn)線的上下料裝置專用機(jī)

61、械手，完成工件從機(jī)械手工位到機(jī)床工作臺(tái)的位置轉(zhuǎn)換，其全部動(dòng)作既可以自動(dòng)完成，也可以單步手動(dòng)控制完成，此機(jī)械手在滿足定位精度和工作效率教高的前提下，盡量使其動(dòng)作簡單，易于控制。 參考書目 a) 李允文主編，工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996 b) 天津大學(xué)編，工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ).天津：天津大學(xué)出版社，1980 c) 張健民主編，工業(yè)機(jī)器人.北京：北京理工大學(xué)出版社，1988 d) 蔡自興主編，機(jī)器人原理及其運(yùn)用.長沙：長沙中南工業(yè)大學(xué)出版社，1988 e) 徐景主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五卷.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992 f) 高井（日）主編，工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1977 g）焦振學(xué)主編，機(jī)床電器控制技術(shù).北京：北京理工大學(xué)出版社.1992 h）鄧星鐘 周祖德 鄧堅(jiān)主編 基電傳動(dòng)與設(shè)計(jì) 華中理工大學(xué)出版社 2000年 i）《工業(yè)機(jī)械手圖冊(cè)》編寫組 工業(yè)機(jī)械手圖冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 1978年