【文章內(nèi)容簡介】 要求嚴(yán)格，同時具有一定的蠕變性。同步帶帶輪齒形有梯形齒形和圓弧齒形。 （ 5）鋼帶傳動 鋼帶傳動的特點(diǎn)是鋼帶與帶輪間接觸面積大，是無間隙傳動、摩擦阻力大，無滑 動，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運(yùn)行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼帶無蠕變、傳動效率高。 （ 6)鏈傳動 在機(jī)器人中鏈傳動多用于腕傳動上，為了減輕機(jī)器人末端的重量， 一般都將腕關(guān) 節(jié)驅(qū)動電機(jī)安裝在小臂后端或大臂關(guān)節(jié)處。由于電機(jī)距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠(yuǎn)，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。 （ 7)鋼絲繩輪傳動 10 鋼絲繩輪傳動具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動剛度大、結(jié)構(gòu)柔軟，成本較低等優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn) 是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。 工業(yè)機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計的要求 機(jī)器人是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動型機(jī)器人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及關(guān)節(jié)的運(yùn)動都是由驅(qū)動器經(jīng)過各種機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動的。機(jī)器人所采用的傳動機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動機(jī)構(gòu)相類似。常用的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)主要有螺旋 轉(zhuǎn)動、齒輪傳動、同步帶傳動、高速帶傳動等。由于傳動部件直接影響機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此應(yīng)設(shè)計和選擇滿足傳動間隙小精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大大、諧振頻率高以及與伺服電動機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。 具體設(shè)計方案 為了簡化結(jié)構(gòu)，同時提高精度。機(jī)械手腰部回轉(zhuǎn)運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，必須采用傳動機(jī)構(gòu)來減速和增大扭矩。經(jīng)濟(jì)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，同時較大的降低 電動機(jī)轉(zhuǎn)速，以使機(jī)械手的運(yùn)動平穩(wěn)，動態(tài)性能好。這里只采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比 ,齒輪采用高強(qiáng)大、高硬度的材料，高精度加工制動。 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計 直角坐標(biāo)型、圓柱坐標(biāo)型和球坐標(biāo)型機(jī)器人可以通過合理布局，優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。關(guān)節(jié)機(jī)器人手臂一般都需要平衡裝置，一減小驅(qū)動器的負(fù)荷，同時縮短啟動時間。 機(jī)器人平衡機(jī)構(gòu)的形式 通常，機(jī)器人所采用的平衡機(jī)構(gòu)主要有以下幾種： 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)器人手臂 的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。一般在機(jī)器人手臂的不平衡力矩比較小的情況下采用這種平衡機(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。 活塞式平衡系統(tǒng)有液壓和氣動兩種：液壓平衡小童平衡力大，體積小，有一定的阻尼作用：氣動平衡系統(tǒng)，具有很好的阻尼作用，但體積比較大?；钊狡胶庑枰鋫溆袑ｉT的液壓或氣動裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價高，設(shè)計、安裝和調(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。 設(shè)計具體采用 的方案 因?yàn)楸驹O(shè)計機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)型的結(jié)構(gòu)，而且在手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及整個機(jī)械手的設(shè)計和布局中都重點(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。 11 3 液壓系統(tǒng)的設(shè)計 液壓系統(tǒng)的概述 機(jī)械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機(jī)帶動油泵輸出壓力油，是將電動機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動活塞桿運(yùn)動，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動，將油液 的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運(yùn)動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機(jī)械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。 液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成： （ 1） 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。 （ 2） 液動機(jī) 壓力油驅(qū)動運(yùn)動部件對外工作部分。手臂做直線運(yùn)動，液動機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運(yùn)動的液動機(jī)一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于 360176。的液動機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。 （ 3） 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動。 液壓系統(tǒng)的基本控制回路 機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、 油泵的卸荷、運(yùn)動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動等。 壓力控制回路 壓力控制回路是通過控制液壓系統(tǒng)的壓力，以滿足執(zhí)行元件對力和力矩要求的回路。包括調(diào)壓、卸荷、減壓、平衡鎖緊等基本回路。本設(shè)計采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路和單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路 為了使機(jī)械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運(yùn)動并鎖緊。本機(jī)械手采用單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。 速度控制 回路 液壓機(jī)械手各種運(yùn)動速度的控制，主要是改變進(jìn)入油缸的流量 Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。 根據(jù)各油泵的運(yùn)動速度要求，可分別采用 LI 型單向節(jié)流閥、 LCI 型單向節(jié)流閥或 QI型單向調(diào)速閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。 節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點(diǎn)是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格便宜。其缺點(diǎn)是：有壓力和流 12 量損耗，在低速負(fù)荷傳動時效率低，發(fā)熱大。 采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時，負(fù)荷的變化會引起油缸 速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會引起節(jié)流閥進(jìn)出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。 調(diào)速閥能夠隨負(fù)荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運(yùn)動速度不受負(fù)荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。 方向控制回路 在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運(yùn)動方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動和正反 向轉(zhuǎn)動。 目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（ D 型）和直流電磁閥（ E 型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為 220V（也有 380V 或 36V），直流電磁閥的使用電壓一般為 24V（或 110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好，換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計 此次設(shè)計的上下料機(jī)械手是以 PLC 來控制整個液壓元件，通過控制液壓缸的電磁換向閥而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動。至于機(jī)械手在空間 的運(yùn)動和定位則由外部的電腦操作系統(tǒng)完成，它主要先進(jìn)行機(jī)器手的運(yùn)動學(xué)分析，動力學(xué)分析，軌跡規(guī)劃和編程。從而由上述系統(tǒng)完成整個機(jī)械手在空間的行走，定位和重復(fù)定位等操作。 液壓執(zhí)行元件運(yùn)動控制回路的設(shè)計 液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動速度和運(yùn)動方向的控制是液壓回路的核心問題。 速度控制通過改變液壓執(zhí)行元件輸入或輸出的流量或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)速以及二者結(jié)合的容積節(jié)流調(diào)速；方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實(shí)現(xiàn)。對于一般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)，多采用插裝閥與先導(dǎo)控制閥的邏輯組合來實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計的速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，利用用比較簡單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)，而方向控制采用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)。 液壓源系統(tǒng)的設(shè)計 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)一般用定量泵供油，在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，溢流閥同時起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。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。一般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)計的液壓系統(tǒng)采用定量泵供油，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 13 濾器對循環(huán)的液壓油進(jìn)行凈化 繪制液壓系統(tǒng)圖 本機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖如圖 31 所示 它擁有垂直手臂的上升、下降，水平手臂的前伸、后縮，以及 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)采用了節(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，采用 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。 液壓系統(tǒng)的簡單計算 計算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的輸出力和運(yùn)動速度，確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和所需流量、確定液壓系統(tǒng)所需的油壓與總的流量，以選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動機(jī)的功率。確定各個控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等。 一般會用到的油缸有活塞式油缸（往復(fù)直線運(yùn)動）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于 360176。的往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動），及無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。 油缸的主要類型與相關(guān)運(yùn)算 雙作用單桿活塞油缸 14 圖 52 雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖 ⑴ 流量、驅(qū)動力的計算 當(dāng)壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度 V1 運(yùn)動時所需輸入油缸的流量 Q1 為 Q1 = 40?D2V1 對于手臂伸縮油缸： Q1=3/s， 對于手指夾緊油缸： Q1= cm3/s ,對于手臂升降油缸： Q1= cm3/s 油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力 P1 即油缸的驅(qū)動力為： P1 = 4? D2p 對于手臂伸縮油缸： P1=196N， 對于手指夾緊油缸： P1=126N ，對于手臂升降油缸：P1=320N 當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度 V2 運(yùn)動時所需輸入油缸的流量 Q2 為： Q2 = 40?（ D2d2） V2 對于手臂伸縮油缸： Q2=3/s， 對于手指夾緊油缸： Q2= cm3/s ,對于手臂升降油缸： Q2= cm3/s 油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力 P2 即油缸的驅(qū)動力為： P2 = 4? （ D2d2） p 15 對于手臂伸縮油缸： P2=172N， 對于手指夾緊油缸： P2=108N ，對于手臂升降油缸：P2=305N ⑵ 計算作用在活塞上的總機(jī)械載荷 機(jī)械手手臂移動時，作用在機(jī)械手活塞上的總機(jī)械載荷 P為 P = P 工 + P 導(dǎo) + P 封 + P 慣 + P 回 其中 P 工 為工作阻力 P 導(dǎo) 為 裝置處的摩擦阻力 P 封 為 密封裝置處的摩擦阻力 P 慣 為 性阻力 P 回 為 回背壓阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N) ⑶ 確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸 ① 油缸內(nèi)徑的計算 油缸工作時，作用在活塞上的 合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所受的總機(jī)械載荷平衡，即 P = P1（無桿腔） = P2 （有桿腔） 油缸（即活塞）的直徑可由下式計算 D = 14PP? = 1Pp 厘米 （無桿腔） 對于手臂伸縮油缸： D=50mm， 對于手指夾緊油缸： D=30mm ，對于手臂升降油缸：D=80mm ，對于立柱橫移油缸： D = 40mm 或 D = 1214P dPP ??? 厘米（有桿腔） ② 油缸壁厚的計算： 依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公