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文檔簡介
1、<p> 車床自動裝料機械手的設(shè)計</p><p> 學生姓名 楊宋建 </p><p> 學 號 8011212133 </p><p> 所屬學院 機械電氣化工程學院 </p><p> 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 </p>
2、<p> 班 級 16-1班 </p><p> 指導教師 雷福祥 </p><p> 日 期 2016 .06 </p><p> 塔里木大學機械電氣化工程學院制前 言</p><p> 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的
3、一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置,它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來,隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用,機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù),它更加促進了機械手的發(fā)展,使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作,減輕人類勞動強度,提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用,在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ,加工工件的搬運、裝
4、卸,特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前,機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元,它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn),可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置,結(jié)構(gòu)緊湊,而且適應(yīng)性很強。當工件變更時,柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變,有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種,提高產(chǎn)品質(zhì)量,更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的
5、距離,應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低,機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高,從經(jīng)</p><p> 本設(shè)計通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合,完成一個特定功能、特殊要求的數(shù)控機床上下料機械手的設(shè)計,能夠比較好地體現(xiàn)機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平,實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度,具有較強的針對性和明確的實施目標,能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。</p>
6、<p> 關(guān)鍵詞:機械手;控制器;液壓;傳感器</p><p><b> 目 錄</b></p><p> 1機械手的總體設(shè)計1</p><p> 1.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型1</p><p> 1.2設(shè)計具體采用方案2</p><p> 2機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計3
7、</p><p> 2.1機械手腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計3</p><p> 2.2 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計3</p><p> 2.3 機械手爪部的結(jié)構(gòu)設(shè)計4</p><p> 2.4手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計5</p><p> 2.5機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計6</p><p> 3理論分
8、析和設(shè)計計算9</p><p> 3.1確定液壓系統(tǒng)基本方案9</p><p> 3.2確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)9</p><p> 3.3計算和選擇液壓元件13</p><p> 3.4液壓系統(tǒng)性能的驗算14</p><p> 3.5電機選型有關(guān)參數(shù)計算14</p><p>
9、; 3.6電機型號的選擇16</p><p> 4.齒輪的設(shè)計計算17</p><p> 4.1齒輪設(shè)計17</p><p> 4.2 校正18</p><p><b> 總 結(jié)20</b></p><p><b> 致 謝21</b></p&
10、gt;<p><b> 參考文獻22</b></p><p><b> 工程概況</b></p><p> 目前,在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成,勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術(shù),設(shè)計用一
11、臺裝卸機械手代替人工工作,以提高勞動生產(chǎn)率。</p><p> 本機械手主要與數(shù)控車床(數(shù)控銑床,加工中心等)組合最終形成生產(chǎn)線,實現(xiàn)加工過程(上料、加工、下料)的自動化、無人化。目前,我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展,越來越多的資金流向制造業(yè),越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計能夠應(yīng)用到加工工廠車間,滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求,從而減輕工人勞動強度,節(jié)約加工輔助時間,提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)
12、力。</p><p> 在設(shè)計之前,必須要有一個指導原則。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是:以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標,充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上,盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練,盡可能采用標準化、模塊化的通用元配件,以降低成本,同時提高可靠性。本著科學經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則,同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點,將大學期間所學的知識,如機械設(shè)計、機械原理、液壓、氣動、
13、電氣傳動及控制、傳感器、可編程控制器(PLC)、電子技術(shù)、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中,使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學階段的知識得到鞏固和強化,同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際,充分發(fā)揮個人能動性,腳踏實地,實事求是的做好本次設(shè)計。</p><p><b> 1機械手的總體設(shè)計</b></p><p> 1.1機械手總體結(jié)構(gòu)的類型</
14、p><p> 工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)形式主要有直角坐標結(jié)構(gòu),圓柱坐標結(jié)構(gòu),球坐標結(jié)構(gòu),關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)四種。各結(jié)構(gòu)形式及其相應(yīng)的特點,分別介紹如下。</p><p> 1.直角坐標機器人結(jié)構(gòu) </p><p> 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的,如圖a1-1.。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制,所以,直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度(μm級
15、)。但是,這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結(jié)構(gòu)尺寸來講,是比較小的。因此,為了實現(xiàn)一定的運動空間,直角坐標機器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類型的機器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。</p><p> 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè),直角坐標機器人有懸臂式,龍門式,天車式三種結(jié)構(gòu)。</p><p> 2.圓柱坐標機器人結(jié)構(gòu)</p>&l
16、t;p> 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉(zhuǎn)運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的,如圖1-1.b。這種機器人構(gòu)造比較簡單,精度還可以,常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間。</p><p> 3. 球坐標機器人結(jié)構(gòu)</p><p> 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動來實現(xiàn)的,如圖1-1.c。這種機器人結(jié)構(gòu)簡單、成本較低,但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運作業(yè)。其工
17、作空間是一個類球形的空間。</p><p> 4. 關(guān)節(jié)型機器人結(jié)構(gòu)</p><p> 關(guān)節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)的,如圖1-1.d。關(guān)節(jié)型機器人動作靈活,結(jié)構(gòu)緊湊,占地面積小。相對機器人本體尺寸,其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛,如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè),都廣泛采用這種類型的機器人。</p><p> 1.2設(shè)計具體采用
18、方案</p><p> 圖1-2 機械手工作布局圖</p><p> 具體到本設(shè)計,因為設(shè)計要求搬運的加工工件的質(zhì)量達30KG,且長度達500MM,同時考慮到數(shù)控機床布局的具體形式及對機械手的具體要求,考慮在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下,盡量簡化結(jié)構(gòu),以減小成本、提高可靠度。該機械手在工作中需要3種運動,其中手臂的伸縮和立柱升降為兩個直線運動,另一個為手臂的回轉(zhuǎn)運動,綜合考慮,機械手自由度
19、數(shù)目取為3,坐標形式選擇圓柱坐標形式,即一個轉(zhuǎn)動自由度兩個移動自由度,其特點是:結(jié)構(gòu)比較簡單,手臂運動范圍大,且有較高的定位準確度。機械手工作布局圖如圖1-2所示。</p><p> 2機械手腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計</p><p> 2.1機械手腰部的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p> 2.1.1 設(shè)計具體采用方案</p><p> 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形
20、式要么是電機通過減速機構(gòu)來實現(xiàn),要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn),目前的趨勢是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高,而且結(jié)構(gòu)緊湊,不用設(shè)計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件??紤]到腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),對機械手的最終精度影響大,故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。一般電機都不能直接驅(qū)動,考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求,采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側(cè)間隙,影響傳動精度,故采用一級齒輪傳動,采用大
21、的傳動比(大于100),同時為了減小機械手的整體結(jié)構(gòu),齒輪采用高強度、高硬度的材料,高精度加工制造,盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結(jié)構(gòu)如圖2-1所示:</p><p> 圖2-1 腰座結(jié)構(gòu)圖</p><p> 2.2 機械手手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p> 2.2.1 機械手手臂的設(shè)計要求</p><p> 機器人手臂的作用,
22、是在一定的載荷和一定的速度下,實現(xiàn)在機器人所要求的工作空間內(nèi)的運動。在進行機器人手臂設(shè)計時,要遵循下述原則;</p><p> 1.應(yīng)盡可能使機器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行;相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點,這樣可以使機器人運動學正逆運算簡化,有利于機器人的控制。</p><p> 2.機器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機器人手臂的長度,手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動范圍
23、有密切的關(guān)系。但機器人手臂末端工作空間并沒有考慮機器人手腕的空間姿態(tài)要求,如果對機器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求,則其手臂末端可實現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。</p><p> 3.為了提高機器人的運動速度與控制精度,應(yīng)在保證機器人手臂有足夠強度和剛度的條件下,盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強度的輕質(zhì)材料,通常選用高強度鋁合金制造機器人手臂。</p><
24、p> 2.2.2 設(shè)計具體采用方案 </p><p> 因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅(qū)動力,因此在驅(qū)動力和結(jié)構(gòu)的強度都是比較容易實現(xiàn)的,關(guān)鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計原則是缸的直徑取得大一點(在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下),再進行強度的較核。</p><p> 同時,因為控制和具體工作的要求,機械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大,若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度,是
25、不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此,在設(shè)計時另外增設(shè)了導桿機構(gòu),小臂增設(shè)了兩個導桿,與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式,盡量增加其剛度;大臂增設(shè)了四個導桿,成正四邊形布置,為減小質(zhì)量,各個導桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導桿,能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性,比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。</p><p> 2.3 機械手爪部的結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p> 2.3.1 機器人手爪結(jié)構(gòu)的設(shè)計
26、要求</p><p> 機器人手爪的自由度數(shù),應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多,各關(guān)節(jié)的運動角度愈大,則機器人腕部的靈活性愈高,機器人對對作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強。但是,自由度的增加,也必然會使腕部結(jié)構(gòu)更復雜,機器人的控制更困難,成本也會增加。因此,手腕的自由度數(shù),應(yīng)根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下,應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。</p><p> 人手腕的自由度數(shù)為
27、2至3個,有的需要更多的自由度,而有的機器人手腕不需要自由度,僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此,要具體問題具體分析,考慮機器人的多種布局,運動方案,選擇滿足要求的最簡單的方案。</p><p> 2.3.2設(shè)計具體采用方案</p><p> 通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析,考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求,在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全
28、和可靠性,為使機械手的結(jié)構(gòu)盡量簡單,降低控制的難度,本設(shè)計手爪不增加自由度,實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的,3個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體結(jié)構(gòu)見圖2-2</p><p> 圖2-2 機械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖</p><p> 2.4手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計</p><p> 在機器人中常用的齒輪傳動機構(gòu)有圓柱齒輪,圓錐齒輪,諧波齒輪,擺線針輪及蝸輪
29、蝸桿傳動等。</p><p> 機器人系統(tǒng)中齒輪傳動設(shè)計的一些問題</p><p> 齒輪傳動形式及其傳動比的最佳匹配選擇。齒輪傳動部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個力矩變換器。齒輪傳動比應(yīng)滿足驅(qū)動部件與負載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求,其輸入電動機為高轉(zhuǎn)速,低轉(zhuǎn)矩,而輸出則為低轉(zhuǎn)速,高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動系統(tǒng)要有足夠的剛度,還要求其轉(zhuǎn)動慣量盡量小,以便在獲得
30、同一加速度時所需的轉(zhuǎn)矩小,即在同一驅(qū)動功率時,其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會造成傳動死區(qū)(失動量),若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中,則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定,常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩,因此要盡量采用齒側(cè)間隙小,精度高的齒輪;為盡量降低制造成本,要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙,從而提高傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p> 2.5機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計</p><p> 2.5.1機器
31、人液壓驅(qū)動系統(tǒng) </p><p> 液壓系統(tǒng)自1962年在世界上第一臺機器人中應(yīng)用到現(xiàn)在,已在工業(yè)機器人中獲得了廣泛的應(yīng)用。目前,雖然在中等負荷以下的工業(yè)機器人中大量采用電機驅(qū)動系統(tǒng),但是在簡易經(jīng)濟型、重型的工業(yè)機器人和噴涂機器人中采用液壓系統(tǒng)的還仍然占有很大的比例。</p><p> 液壓系統(tǒng)在機器人中所起的作用是通過電-液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功率放大,對液壓動力機構(gòu)進行方向、位置
32、、和速度的控制,進而控制機器人手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動馬達,連續(xù)回轉(zhuǎn)的液壓馬達用得很少。在工業(yè)機器人中,中、小功率的液壓驅(qū)動系統(tǒng)用節(jié)流調(diào)速的為多,大功率的用容積調(diào)速系統(tǒng)。節(jié)流調(diào)速系統(tǒng),動態(tài)特性好,但是效率低。容積調(diào)速系統(tǒng),動態(tài)特性不如前者,但效率高。機器人液壓驅(qū)動系統(tǒng)包括程序控制和伺服控制兩類。</p><p> 1.程序控制機器人的液壓系統(tǒng)</p>&
33、lt;p> 這類機器人屬非伺服控制的機器人,在只有簡單搬運作業(yè)功能的機器人中,常常采用簡易的邏輯控制裝置或可編程控制器對機器人實現(xiàn)有限點位的控制。這類機器人的液壓系統(tǒng)設(shè)計要重視以下方面:</p><p> ?。?)液壓缸設(shè)計:在確保密封性的前提下,盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件,以減小摩擦阻力,提高液壓缸的壽命。</p><p> ?。?)定位點的緩沖與制動:因為機器人手臂的運
34、動慣量比較大,在定位點前要加緩沖與制動機構(gòu)或鎖定裝置。</p><p> ?。?)對慣量比較大的運動軸的液壓缸兩側(cè)最好加設(shè)安全保護回路,防止因碰撞過載而損壞機械結(jié)構(gòu)。</p><p> 2.伺服控制機器人的液壓系統(tǒng)</p><p> 具有點位控制和連續(xù)軌跡控制功能的工業(yè)機器人,需要采用電-液伺服驅(qū)動系統(tǒng)。其電-液轉(zhuǎn)換和功率放大元件有電-液伺服閥,電-液比例閥,電
35、-液脈沖閥等。由以上各類閥件與液壓動力機構(gòu)可組成電-液伺服馬達,電-液伺服液壓缸,電-液步進馬達,電-液步進液壓缸,液壓回轉(zhuǎn)伺服執(zhí)行器(RSA-Rotory Serve Actuator)等各種電-液伺服動力機構(gòu)。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要,電-液伺服馬達和電-液伺服液壓缸可以是分離式,也可以是組合成為一體。如果是分離式的連接方式,要盡量縮短連接管路,這樣可以減少伺服閥到液壓機構(gòu)間的管道容積,以增大液壓固有頻率。</p><
36、p> 在機器人的驅(qū)動系統(tǒng)中,常用的電-液伺服動力機構(gòu)是電-液伺服液壓缸和電-液伺服擺動馬達,也可以用電-液步進馬達。液壓回轉(zhuǎn)執(zhí)行器是一種由伺服電機,步進電機或比例電磁鐵帶動的一個安放在擺動馬達或連續(xù)回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)子內(nèi)的一個回轉(zhuǎn)滑閥,通過機械反饋,驅(qū)動轉(zhuǎn)子運動的一種電-液伺服機構(gòu)。它可安裝在機器人手臂和手腕的關(guān)節(jié)上,實現(xiàn)直接驅(qū)動。它既是關(guān)節(jié)機構(gòu),又是動力元件。</p><p> 2.6.2機器人電動驅(qū)動系統(tǒng)&
37、lt;/p><p> 這些年來,針對機器人,數(shù)控機床等自動機械而開發(fā)的各種類型的伺服電動機及伺服驅(qū)動器的大量出現(xiàn),為機器人驅(qū)動系統(tǒng)的更新創(chuàng)造了條件。由于高起動力矩、大轉(zhuǎn)矩低慣量的交、直流電機在機器人中的應(yīng)用,因此一般情況下,負重在100kg以下的工業(yè)機器人大多數(shù)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。</p><p> 1.機器人驅(qū)動系統(tǒng)電機的選擇</p><p> 機器人的驅(qū)動系統(tǒng)電
38、機的選擇要根據(jù)機器人的用途、功能、結(jié)構(gòu)特點,結(jié)合各類電機自身的特點、性能、結(jié)構(gòu)特點以及性能價格比等綜合考慮進行。根據(jù)機器人各運動軸所計算的、要求電機的轉(zhuǎn)速、負載額定力矩、加減速特性、額定功率、加速功率等參數(shù)選擇電機型號。有關(guān)各類驅(qū)動電動機主要特點及性能、結(jié)構(gòu)特點、用途及使用范圍、適用的驅(qū)動器見表2-1。</p><p> 表2-1 電機的性能</p><p> 2.機器人電動驅(qū)動系統(tǒng)伺
39、服驅(qū)動器</p><p> ?。?)直流電機伺服驅(qū)動器</p><p> 直流伺服電機驅(qū)動器目前多采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)伺服驅(qū)動器。其電源電壓為固定不變值,由大功率三極管作為開關(guān)元件,以固定的開關(guān)頻率動作,但其脈沖寬度可以隨電路控制而改變,改變了脈沖寬度也就可以改變加在電機電樞兩端的平均電壓,從而改變了電機的轉(zhuǎn)速。這種伺服驅(qū)動器一般由電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)組成。末級采用大功率三極管構(gòu)成橋
40、式開關(guān)電路。</p><p> PWM伺服驅(qū)動器具有調(diào)速范圍寬、低速特性好,響應(yīng)快、效率高、過載能力強等特點。目前已廣泛應(yīng)用于各類數(shù)控機床、工業(yè)機器人及其它機電一體化產(chǎn)品中用做直流伺服電機的驅(qū)動。</p><p> ?。?)步進電機驅(qū)動器</p><p> 步進電機的控制裝置主要包括脈沖發(fā)生器,環(huán)行分配器和功率放大器等幾部分組成。</p><
41、p> 脈沖發(fā)生器可以按照起、制動及調(diào)速要求改變頻率、以控制步進電機。環(huán)行分配器是控制步進電機各繞組按一定的次序通過的環(huán)節(jié)。它的作用是把脈沖發(fā)生器送來的一系列脈沖信號按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給各繞組,以使步進電機按著一定的規(guī)律運動。</p><p> 功率放大器的作用是將環(huán)行分配器輸出的毫安級電流放大成安培級電流以驅(qū)動步進電機。目前功率放大器多采用高低壓驅(qū)動電路。這種電路有高、低壓二組電源。當繞組剛通電
42、瞬間讓繞組接通高電壓,從而使各相電流迅速建立。而當達到步進電機額定電流時僅以低電壓給各相繞組供電。高電壓加入的時間長短由控制電路來實現(xiàn)。</p><p> 3理論分析和設(shè)計計算</p><p> 3.1確定液壓系統(tǒng)基本方案</p><p> 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬達,前者實現(xiàn)直線運動,后者實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。二者的特點及適用場合見表3-1:</p&
43、gt;<p> 表3-1 液壓缸和液壓馬達的特點</p><p> 3.2確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)</p><p> 液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量,他們是設(shè)計液壓系統(tǒng),選擇液壓元件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷,流量取決于液壓執(zhí)行元件的運動速度和結(jié)構(gòu)尺寸。</p><p> 1.計算液壓缸的總機械載荷</p><p>
44、根據(jù)機構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為</p><p><b> ?。?-1)</b></p><p> 式中, -----為外加的載荷,因為水平方無外載荷,故為0;</p><p> ------為活塞上所受的慣性力;</p><p> ------為密封阻力;</p><p> -
45、-----為導向裝置的摩擦阻力;</p><p> ------為回油被壓形成的阻力;</p><p><b> ?。?)的計算</b></p><p><b> ?。?-2)</b></p><p> 式中, ------為液壓缸所要移動的總重量,取為100kg;</p>&l
46、t;p> ------為重力加速度, ;</p><p> ------為速度變化量;</p><p> ------啟動或制動時間,一般為0.01~0.5,取0.2s</p><p> 將各值帶入上式,得:=1.02</p><p><b> ?。?)的計算</b></p><p>
47、;<b> ?。?-3)</b></p><p> 式中,-----克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力,如該液壓缸工作壓力<16 ,查相關(guān)手冊取=0.2 ;</p><p> ------為進油工作腔有效面積; </p><p> 啟動時: </p><p> 運動時:
48、 283N</p><p><b> ?。?)的計算</b></p><p> 機械手水平方向上有兩個導桿,內(nèi)導桿和外導套之間的摩擦力為</p><p><b> ?。?-4)</b></p><p> 式中,------為機械手和所操作工件的總重量,取為100KG;<
49、/p><p> ------為摩擦系數(shù),取f=0.1;</p><p> 帶入數(shù)據(jù)計算得: =98</p><p><b> ?。?)的計算</b></p><p> 回油背壓形成的阻力按下式計算</p><p><b> ?。?-5)</b></p>
50、;<p> 式中,-----為回油背壓,一般為0.3~0.5 ,取=0.3 </p><p> -----為有桿腔活塞面積,考慮兩邊差動比為2;</p><p> 將各值帶入上式有, </p><p> 分析液壓缸各工作階段受力情況,作用在活塞上的總機械載荷為</p><p><b> 。<
51、/b></p><p> 2腰部執(zhí)行液壓缸工作壓力計算</p><p> 腰部要能頂起工件必須滿足: </p><p><b> (3-6)</b></p><p> 式中,-----為所需夾持力;</p><p> -----安全系數(shù),通常取1.2~2;</p>&
52、lt;p> -----為動載系數(shù),主要考慮慣性力的影響可按估算,為液壓缸在頂起工件過程的加速度,,為重力加速度;</p><p> -----方位系數(shù),查表選??;</p><p> -----被抓持工件的重量 30;</p><p> 帶入數(shù)據(jù),計算得: ;</p><p> 理論驅(qū)動力的計算:
53、 (3-7)</p><p> 式中,----為柱塞缸所需理論驅(qū)動力;</p><p> ----為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點的垂直距離;</p><p> -----為扇形齒輪分度圓半徑;</p><p><b> -----為頂力;</b></p><
54、p> ---齒輪傳動機構(gòu)的效率,此處選為0.92;</p><p> 其他同上。帶入數(shù)據(jù),計算得 </p><p> 計算驅(qū)動力計算公式為: </p><p><b> (3-8)</b></p><p> 式中,-----為計算驅(qū)動力;</p><p> ---安全
55、系數(shù),此處選1.2;</p><p> ---工作條件系數(shù),此處選1.1;</p><p> 其他同上。帶入數(shù)據(jù),計算得: </p><p> 而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的,故有</p><p><b> ?。?-9)</b></p><p> 式中,---為柱塞缸工作油壓;&l
56、t;/p><p> ----為柱塞截面積;</p><p> 經(jīng)計算,所需的油壓約為: </p><p> 3.液壓缸主要參數(shù)的確定</p><p> 針對本設(shè)計是一個機械手的特點考慮,機械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。因此,先從剛度角度進行液壓缸缸徑的選擇,以盡量優(yōu)先保證機械手的結(jié)構(gòu)和運動的穩(wěn)定性、安全性。至于液壓缸的工作壓力和缸
57、的工作速度,放在液壓系統(tǒng)設(shè)計階段,通過外部的液壓回路、采用合適的調(diào)速回路和元件來實現(xiàn)。經(jīng)過仔細分析,綜合考慮各方面的因素,初步確定各液壓缸的基本參數(shù)如下;</p><p> 表3-1 水平伸縮液壓缸參數(shù)</p><p> 因為伸縮缸的作用主要是實現(xiàn)伸縮直線運動這個運動形式,在其軸向上并不承受顯性的工作載荷(因為手爪夾持工件,受力方向為垂直方向),軸向主要是克服摩擦力矩,其所受的載荷主要
58、是徑向載荷,載荷性質(zhì)為彎矩,使其產(chǎn)生彎曲變形。而且因為機械手要求具有一定的柔性,水平液壓缸活塞桿要求具有比較大的工作行程。同時具有比較大的彎矩和比較長的行程,這對液壓缸的穩(wěn)定性和剛度問題有較高的要求。</p><p> 因此,在水平伸縮缸的設(shè)計上,一是增大其抗彎能力,二是通過合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計,使其具有盡量大的剛度。為了達到這個目的,設(shè)計中采用了兩個導向桿,以滿足長行程活塞桿的穩(wěn)定性和導向問題。另一方面,為增大
59、結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性,將兩個導向桿與活塞桿布局成等邊三角形的截面形式,以增大抗彎截面模量,也大大增加了液壓缸的工作剛度。</p><p> 表3-2 垂直液壓缸參數(shù)</p><p> 因為垂直液壓缸所承受的載荷方式既有一定的軸向載荷,又存在著比較大的傾覆力矩(由加工工件的重力引起的)。作為液壓執(zhí)行元件,滿足此處的驅(qū)動力要求是輕而易舉的,要解決的關(guān)鍵問題仍然是它的結(jié)構(gòu)設(shè)計能否有足夠的剛度
60、來抗傾覆。這里同樣采用了導向桿機構(gòu),圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導桿,較好的解決了這一問題。</p><p> 4.液壓缸強度的較核</p><p> (1)缸筒壁厚的較核</p><p> 當 D/時,液壓缸壁厚的較核公式如下:</p><p><b> ?。?-10)</b></p><p>
61、 式中,----為缸筒內(nèi)徑;</p><p> ----為缸筒試驗壓力,當缸的額定壓力時,取為;</p><p> ----為缸筒材料的許用應(yīng)力,,為材料抗拉強度,經(jīng)查相關(guān)資料取為650,為安全系數(shù),此處??;</p><p> 帶入數(shù)據(jù)計算,上式成立。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。</p><p> ?。?)活塞桿直徑的較核</p
62、><p> 活塞桿直徑的較核公式為</p><p><b> ?。?-11)</b></p><p> 式中, -----為活塞桿上作用力;</p><p> -----為活塞桿材料的許用應(yīng)力,此處;</p><p> 帶入數(shù)據(jù),進行計算較核得上式成立,因此活塞桿的強度能滿足工作要求。<
63、/p><p> 3.3計算和選擇液壓元件</p><p><b> 1.液壓泵的計算</b></p><p> ?。?)確定液壓泵的實際工作壓力</p><p><b> ?。?-12)</b></p><p> 式中,-------計算工作壓力,前以定為;</p&g
64、t;<p> ------對于進油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng),可估為(0.5~1.5),這里取為1。</p><p> 因此,可以確定液壓泵的實際工作壓力為</p><p><b> ?。?-13)</b></p><p> (2)確定液壓泵的流量</p><p><b> ?。?-14)</
65、b></p><p> 式中,------為泄露因數(shù),取1.1;</p><p> -----為機械手工作時最大流量。</p><p><b> ?。?-15)</b></p><p> 經(jīng)計算得 =3.140</p><p> 帶入上式得 </p>
66、<p> ?。?)確定液壓泵電機的功率</p><p><b> ?。?-16)</b></p><p> 式中,------為最大運動速度下所需的流量,同前,取為3.140;</p><p> -------液壓泵實際工作壓力,5;</p><p> ------為液壓泵總效率,取為0.8;<
67、/p><p> 帶入數(shù)據(jù)計算得: =。</p><p><b> 5.控制元件的選擇</b></p><p> 根據(jù)系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量,在標準元件的產(chǎn)品樣本中選取各控制元件。這部分在考慮具體的作業(yè)時根據(jù)詳細的要求再結(jié)合具體情況進行詳細,這里暫從略。</p><p> 6.油管及其他輔助裝置的
68、選擇</p><p> ?。?)查閱設(shè)計手冊,選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù)</p><p> 液壓泵出口流量以3.140L/MIN計,選??;液壓泵吸油管稍微粗些,選擇;其余都選為;</p><p> ?。?)確定油箱的容量</p><p> 一般取泵流量的3~5倍,這里取為5倍,有效容積為</p><p>&l
69、t;b> ?。?-17)</b></p><p> 3.4液壓系統(tǒng)性能的驗算</p><p> 繪制液壓系統(tǒng)圖后,進行壓力損失驗算。因為該液壓系統(tǒng)比較簡單,該項驗算從略。本系統(tǒng)采用液壓回路簡單,效率比較高,功率小,發(fā)熱少,油箱容量取得較大,因此,不再進行溫升驗算。</p><p> 3.5電機選型有關(guān)參數(shù)計算</p><p
70、> 若傳動負載作直線運動(通過滾珠絲杠)則有</p><p> 負載額定功率: (3-1)</p><p> 負載加速功率: (3-2)</p><p> 負載力矩(折算到電機軸):</p><p><b>
71、 ?。?-3)</b></p><p> 負載(折算到電機軸): </p><p><b> (3-4)</b></p><p> 起動時間: </p><p><b> (3-5)</b></p><p> 制動時間: </p&
72、gt;<p><b> ?。?-6)</b></p><p> 2.若傳動負載作回轉(zhuǎn)運動</p><p> 負載額定功率: (3-7)</p><p> 負載加速功率: (3-8)</p&g
73、t;<p> 負載力矩(折算到電機軸): </p><p><b> ?。?-9)</b></p><p> 負載GD(折算到電機軸): </p><p><b> ?。?-10)</b></p><p> 起動時間: </p><p&
74、gt;<b> (3-11)</b></p><p> 制動時間: </p><p><b> ?。?-12)</b></p><p> 式中,-----為額定功率,KW;</p><p> -----為加速功率,KW;</p><p> -----為
75、負載軸回轉(zhuǎn)速度,r/min;</p><p> -----為電機軸回轉(zhuǎn)速度,r/min;</p><p> -----為負載的速度,m/min;</p><p> -----為減速機效率;</p><p> -----為摩擦系數(shù);</p><p> -----為負載轉(zhuǎn)矩(負載軸),;</p>&
76、lt;p> -----為電機啟動最大轉(zhuǎn)矩,;</p><p> -----為負載轉(zhuǎn)矩(折算到電機軸上),;</p><p> -----為負載的,;</p><p> -----為負載(折算到電機軸上),;</p><p> -----為電機的,;</p><p> 具體到本設(shè)計,因為步進電機是驅(qū)動腰
77、部的回轉(zhuǎn),傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。</p><p> 因為腰部回轉(zhuǎn)運動只存在摩擦力矩,在回轉(zhuǎn)圓周方向上不存在其他的轉(zhuǎn)矩,則在回轉(zhuǎn)軸上有;</p><p><b> (3-13)</b></p><p> 式中,-----為滾動軸承摩擦系數(shù),取0.005;</p><p> -----為機械手本
78、身與負載的重量之和,取100kg;</p><p> -----為回轉(zhuǎn)軸上傳動渦輪分度圓半徑,R=350;</p><p> 帶入數(shù)據(jù),計算得 =1.75;</p><p> 同時,腰部回轉(zhuǎn)速度定為=1r/min;傳動比定為1/70;</p><p> 且, 帶入數(shù)據(jù)得: =10.45667。</p>&
79、lt;p> 將其帶入上(3-10)~(3-11)式,得:</p><p> 啟動時間 ; </p><p> 制動時間 ;</p><p> 折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為:。</p><p> 3.6電機型號的選擇</p><p> 根據(jù)以上結(jié)果,綜合考慮各種因素,選擇國
80、產(chǎn)北京和利時電機技術(shù)有限公司(原北京四通電機公司)的減速機,具體型號為:YCJ180同時因為腰部齒輪傳動比為1:70,步進電機經(jīng)過減速后傳遞到回轉(zhuǎn)軸,回轉(zhuǎn)軸實際的步距角將為電機實際步距角的1/70(理論上),雖然實際上存在著間隙和齒輪傳動非線性誤差,實際回轉(zhuǎn)軸的最小步距角也仍然是很小的,故其精度是相當高的,完全能滿足機械手上下料的定位精度要求。</p><p><b> 4.齒輪的設(shè)計計算</b
81、></p><p><b> 4.1齒輪設(shè)計</b></p><p> 4.1.1 預(yù)選兩個齒輪均用35siMn鋼制造。</p><p> 采用軟齒面: HBS<= 350;(標準齒形a=20°)</p><p> 小齒輪調(diào)質(zhì)處理:HBS=217-269 取260; </p>
82、;<p> 大齒輪調(diào)制處理:HBS=217-269 取220;</p><p> 4.1.2低速級齒輪大,對外部影響大,所以先設(shè)計低速級</p><p><b> (初選</b></p><p> 非對稱布置,軟齒面,</p><p><b> 鋼-鋼 </b><
83、/p><p> ?、苤饼X的α=20°, </p><p><b> 計算[]</b></p><p><b> N= 計算循環(huán)次數(shù)</b></p><p><b> N</b></p><p><b> N</b>
84、</p><p><b> 取1.4 </b></p><p><b> ==</b></p><p><b> ==</b></p><p> 將的較小值代入,計算dt3</p><p><b> d</b></
85、p><p><b> ㎜</b></p><p> 4.1.3計算中心距 m 和齒數(shù)及圓周速度V</p><p><b> m=0.015=</b></p><p><b> V</b></p><p><b> 計算寬度:b=&l
86、t;/b></p><p><b> 取;㎜</b></p><p><b> 4.1.4計算k值</b></p><p> ,8級精度,由圖10-8查得動載系數(shù)</p><p> 非對稱布置,軟齒面8級精度</p><p><b> 低速級直齒齒輪
87、 </b></p><p><b> 非對稱布置 取</b></p><p><b> ?。?-1)</b></p><p><b> 4.2 校正</b></p><p><b> ?。?-2)</b></p>&l
88、t;p> 取 (5-3)</p><p> 計算實際傳動比 </p><p><b> ?。?-4)</b></p><p><b> 計算實際中心距</b></p><p><b> ?。?-5)</b></
89、p><p><b> 計算分度圓直徑</b></p><p><b> 5.2.1設(shè)計匯總</b></p><p> 5.2.2低速級齒輪彎曲疲勞強度校核</p><p> (查圖10-17 P200 得齒形系數(shù)Y</p><p> (查圖10-18 得應(yīng)力修正系數(shù)
90、</p><p> ( 5-6)</p><p> 取彎曲疲勞安全系數(shù)為S=1.4</p><p> ?、苡蓤D10-22查得彎曲疲勞壽命系數(shù)</p><p><b> (5-7)</b></p><p><b> ?。?-8)</b&
91、gt;</p><p> []= (5-9)</p><p> []= (5-10)</p><p><b> 所以</b></p><p> 所以低速級齒輪齒根彎曲疲勞強度安全。</p><p><b> 總 結(jié)</
92、b></p><p> 本課題所設(shè)計的機械手的操作過程是由電動機和液壓缸組成執(zhí)行機構(gòu)作為驅(qū)動,系統(tǒng)采用可編程控制器控制,運用步進順序控制編程,程序簡單且便于調(diào)試。通過PLC本身通訊接口和計算機聯(lián)網(wǎng),對現(xiàn)場操作的各項參數(shù)進行監(jiān)測、修改、調(diào)整,是系統(tǒng)處于最佳工作狀態(tài)。利用PLCA控制機械手相對于其他控制方式,具有很高的可靠性,較好的性價比,較強的可操作性和實用性。就本課題設(shè)計的目的,實際應(yīng)用運行良好,大大方便
93、了工作和生活。</p><p> 通過這次的畢業(yè)設(shè)計,我學到了很多東西,在做設(shè)計的過程中對工作的細心得到了提高,認識到自己對這方面的不足。并且對本設(shè)計的內(nèi)容有了更好的了解,比如加深了解了可編程控制器的功能,還有機械手的工作原理等等。通過做這次設(shè)計,對以前的不足的知識進行彌補,在指導老師那里學到了很多寶貴的東西,這些對我都是很有幫助的。</p><p><b> 致 謝<
94、/b></p><p> 歷時近三個月的畢業(yè)設(shè)計終于完成,在這這段時間里,我運用大學四年的專業(yè)知識比較成功的完成了本次畢業(yè)設(shè)計,在畢業(yè)設(shè)計中通過方案論證,理論設(shè)計計算,機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計,工程圖的繪制,設(shè)計說明書的撰寫等環(huán)節(jié)的訓練,已經(jīng)使個人理論水平和實際動手能力有了一次飛躍,鍛煉了個人在設(shè)計、分析,動手實踐等方面的能力,同時使所學專業(yè)知識得到一次全面的鞏固和加強。</p><p>
95、 此次畢業(yè)設(shè)計能夠順利完成,我得到了很多老師、同學的關(guān)心、幫助和支持,在此本人首先向他們表示感謝。在畢業(yè)設(shè)計過程中,我的指導老師雷福祥老師給予很多專業(yè)方面的幫助。在設(shè)計前期的準備時,張老師就非常關(guān)注我的選題,指明選題方向,幫助分析題目的可行性和實際中可能出現(xiàn)的問題以及需要注意的事項;在進行方案選擇時,為我指出所需要重點掌握的知識范圍,并幫助我分析相應(yīng)知識難點的原理,使我的畢業(yè)設(shè)計能順利進行。</p><p>
96、同時,我也要感謝大學四年所有教過和沒有教過但給我很多幫助的老師,是他們的教導讓我能在這里學到很多的專業(yè)知識,給我以后工作和學習打下了堅實的基礎(chǔ),是他們的諄諄教誨使我明白了更多為人處事的道理,給我今后的人生足跡烙下更深的印跡,在此我衷心地感謝所有幫助過我的老師。此外,非常感謝許多其他同學,他們很多想法和建議對我啟發(fā)很大。在此一并致謝!</p><p> 還有在中華工業(yè)控制網(wǎng)和中國機器人聯(lián)盟網(wǎng)上以及在其他場合給提供
97、我?guī)椭闹烂趾筒恢烂值呐笥?,在此也一并致謝,謝謝你們!</p><p> 由于時間和個人知識及能力水平有限,論文中難免會有一些紕漏或錯誤之處,懇請各位老師批評指正。不勝感謝!</p><p><b> 參考文獻</b></p><p> [1]付永領(lǐng), 王巖, 裴忠才. 基于CAN總線液壓噴漆機器人控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 機床
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99、敏華, 溫齊全. PLC在電液比例與伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 機床與液壓. 2003, (5): 143~144</p><p> [5]胡學林. 可編程控制器(基礎(chǔ)篇) [M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2003.</p><p> [6]胡學林. 可編程控制器(實訓篇) [M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2004.</p><p> [7]孫兵,
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