【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 機(jī)械手常見的運(yùn)動(dòng)形式有1）直角坐標(biāo)型2）圓柱坐標(biāo)型3）球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型4）關(guān)節(jié)型（回轉(zhuǎn)坐標(biāo)）型5）平面關(guān)節(jié)型五種。圓柱坐標(biāo)型是由三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。直角坐標(biāo)型，其運(yùn)動(dòng)部分的三個(gè)相互垂直的直線組成，其工作空間為長(zhǎng)方體，它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但機(jī)體所占空間大，靈活性較差。球坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動(dòng)作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。關(guān)節(jié)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰運(yùn)動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)，其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的工件。平面關(guān)節(jié)型，采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)控制上下運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。綜合上述各類型特點(diǎn)和本機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求，故本次設(shè)計(jì)中采用回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。 (2) 自由度的確定：自由度(Degrees of Freedom),指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括末端操作器的開合度。在運(yùn)動(dòng)形式上分為為直線運(yùn)動(dòng)P，為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)R。自由度數(shù)的多少反映了這種機(jī)械手能完成動(dòng)作的復(fù)雜程度，根據(jù)對(duì)機(jī)械手必須完成的動(dòng)作的研究，設(shè)計(jì)四個(gè)自由度的機(jī)械手即可完成所規(guī)定的工作任務(wù)。從機(jī)座到手腕，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)直線直線旋轉(zhuǎn)，即RPPR型。(3) 驅(qū)動(dòng)方式的選擇:1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)2）氣壓驅(qū)動(dòng)3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)4）機(jī)械聯(lián)動(dòng)四種，其中液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)較為通用。液壓驅(qū)動(dòng)：結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動(dòng)、防爆性好。而且液壓技術(shù)比較成熟，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)。氣壓驅(qū)動(dòng)：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低、維修方便、清潔等特點(diǎn)，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中，但對(duì)速度很難進(jìn)行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實(shí)現(xiàn)伺服控制。電機(jī)驅(qū)動(dòng)：步進(jìn)或伺服電機(jī)可用于程序復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手； 異步電機(jī)、直流電機(jī)適用于抓重大、速度低的專用機(jī)械手；電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測(cè)、傳遞、處理方便，控制方式靈活，安裝維修方便。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。機(jī)械聯(lián)動(dòng)：動(dòng)作可靠，動(dòng)作范圍小，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適用于自由度少、速度快的專用機(jī)械手。并且，同其他轉(zhuǎn)動(dòng)方式相比較，傳動(dòng)功率相同時(shí)，液壓傳動(dòng)裝置的重量輕，體積緊湊，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，調(diào)速范圍大。運(yùn)動(dòng)件的慣性小，能夠頻繁順序換向，傳動(dòng)工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸著震，并能自動(dòng)防止過載。與電氣配合，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和操作自動(dòng)化，與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種自動(dòng)控制工作。液壓元件基本已經(jīng)上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，利于CAD技術(shù)的應(yīng)用、提高工效，降低成本。容易達(dá)到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉(zhuǎn)距）。液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作較平穩(wěn)，可靠，并可實(shí)現(xiàn)較高的位置精度。液壓傳動(dòng)中，力，速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。液壓裝置采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤(rùn)滑效能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長(zhǎng)。綜上，經(jīng)過比較，本次設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)。(4) 控制方式的選擇:1）點(diǎn)位控制方式（PTP）2）連續(xù)軌跡控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。點(diǎn)位控制的特點(diǎn)是只控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿。控制時(shí)只要求工業(yè)機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不做任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間。由于其控制方式易于實(shí)現(xiàn)，常應(yīng)用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊等工業(yè)機(jī)器人。連續(xù)軌跡控制的特點(diǎn)是連續(xù)的控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而且速度可控，軌跡光滑且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是工業(yè)機(jī)器人末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測(cè)作業(yè)機(jī)器人。力（力矩）控制方式常用于準(zhǔn)確定位并要求使用適度的力或力矩來完成裝配、抓放物體等工作。智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識(shí)，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識(shí)庫(kù)相應(yīng)做出決策。采用智能控制技術(shù)的機(jī)器人具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)能力，技術(shù)難度及成本要求都比較高。綜上，本次設(shè)計(jì)采用點(diǎn)位控制。另外該機(jī)械手的動(dòng)作是有順序要求的，控制系統(tǒng)采用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的工序動(dòng)作，可以簡(jiǎn)化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。綜合上述，此次采用電液伺服點(diǎn)位控制，可以很好的完成自動(dòng)線工作。 總體方案擬定　因?yàn)楸緳C(jī)械手工作范圍大，位置精度要求高。考慮本機(jī)械手工作要求的特殊情況，本設(shè)計(jì)采用懸臂式四自由度的機(jī)械手，簡(jiǎn)圖下所示： 圖21 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖自由度具體分配如下：1）手臂回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動(dòng)油缸來實(shí)現(xiàn)，擺動(dòng)缸的動(dòng)片與缸體相連接，通過油液帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，與之相連的缸體也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。2）手臂俯仰自由度。機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動(dòng)，一般采用活塞油（氣）與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，缸體采用尾部耳環(huán)與機(jī)身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。4）手腕回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動(dòng)液壓缸來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)注入壓力油時(shí)，油壓推動(dòng)動(dòng)片連同轉(zhuǎn)軸一起回轉(zhuǎn)。因?yàn)閯?dòng)片是固定在轉(zhuǎn)軸上的，故動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸也隨著其一起轉(zhuǎn)。而末端操作器與轉(zhuǎn)軸是固定在一起的，故轉(zhuǎn)軸一轉(zhuǎn)手部便一起轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。此處省略NNNNNNNNNNNN字9級(jí)精度選取，d的圓柱度公差按8 級(jí)精度選取，活塞桿端的垂直度公差按7級(jí)精度選取，活塞桿上的螺紋按6級(jí)精度加工，活塞桿上工作表面的粗糙度為Ra=，然后拋光。 液壓缸的緩沖裝置緩沖裝置是為了防止或減小液壓缸活塞在運(yùn)動(dòng)到兩個(gè)端點(diǎn)時(shí)因慣性力造成的沖撞。液壓缸的活塞桿具有一定的質(zhì)量，在液壓力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的動(dòng)量，在它們的行程終端，當(dāng)桿頭進(jìn)入液壓缸的端蓋和缸底部分時(shí)，會(huì)引起機(jī)械碰撞，產(chǎn)生很大的沖擊壓力和噪聲。因此就有必要采用緩沖裝置，以避免這種機(jī)械碰撞使缸體損壞，但沖擊壓力仍然存在，大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會(huì)嚴(yán)重影響液壓缸和整個(gè)液壓系統(tǒng)的強(qiáng)度和正常工作，緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸底或端蓋的沖擊，在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn)速度的遞減，直至為零。通常是通過節(jié)流作用，使液壓缸運(yùn)動(dòng)到端點(diǎn)附近時(shí)形成足夠的內(nèi)壓，降低液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度，以減小沖擊。其工作原理是使缸筒低壓腔內(nèi)油液全部或部分通過節(jié)流把動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，熱能則由循環(huán)的油液帶到液壓缸外。本設(shè)計(jì)中采用的緩沖裝置是可變節(jié)流槽式的緩沖裝置。這種緩沖裝置是在緩沖柱塞上開由淺到深的三角節(jié)流溝槽，節(jié)流面積隨著緩沖行程的增大而逐漸減少，緩沖壓力變化平緩。 液壓缸的排氣裝置為使液壓缸運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，在新裝上液壓缸之后，必須將缸內(nèi)的空氣排出。排氣的方法之一是使液壓缸反復(fù)運(yùn)動(dòng)，直到運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。但更可靠的方法是在液壓缸上設(shè)置排氣塞（排氣閥），排氣塞的位置一般放置在液壓缸的端部，雙作用液壓缸則應(yīng)設(shè)置兩個(gè)排氣塞。如果排氣閥設(shè)置不當(dāng)或者沒有設(shè)置，壓力油進(jìn)入液壓缸后，缸內(nèi)仍會(huì)存在空氣，由于空氣具有壓縮性和滯后擴(kuò)張性，會(huì)造成液壓缸和整個(gè)液壓系統(tǒng)在工作中的振動(dòng)和爬行，影響液壓缸的正常工作。為了避免這種現(xiàn)象，除了防止空氣進(jìn)入液壓系統(tǒng)外，必須在液壓缸上安設(shè)排氣閥，因?yàn)橐簤焊资且簤合到y(tǒng)的最后執(zhí)行元件，會(huì)直接反映出殘留空氣的危害。對(duì)于速度要求較高的液壓缸和大型液壓缸需要專門設(shè)置排氣裝置，如排氣塞、排氣閥等。對(duì)于要求不是很高的液壓缸，往往不需要設(shè)計(jì)專門的排氣裝置，而是將油口布置在缸筒的最高處，這樣也能使空氣隨著油液排往油箱，再?gòu)挠拖湟莩觥１驹O(shè)計(jì)采用后者。 制定基本方案設(shè)計(jì)合理的液壓系統(tǒng)才能確保全面、可靠地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，通常做法是先選定系統(tǒng)類型，分別選擇各項(xiàng)要求的基本回路，最后再將各基本回路組合成完整的液壓系統(tǒng)。由于影響液壓系統(tǒng)方案的因素很多，設(shè)計(jì)中仍主要靠經(jīng)驗(yàn)來完成。 基本回路的選擇1）壓力源回路：壓力源回路又稱動(dòng)力源回路，其功能是向液壓系統(tǒng)提高滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的壓力和流量。壓力源回路是由油箱、油箱附件、液壓泵、電動(dòng)機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）、安全閥、過濾器、單向閥等組成。設(shè)計(jì)中采用高低壓雙聯(lián)泵液壓源回路。2）壓力控制回路：壓力控制回路是以控制系統(tǒng)及各支路壓力，使之完成特定功能的回路。壓力控制回路的種類很多，在一個(gè)工作循環(huán)的某一段時(shí)間內(nèi)各支路均不需要新提供的液壓能時(shí)，考慮采用泄卸荷回路；當(dāng)某支路需要穩(wěn)定的低于動(dòng)力油源的壓力時(shí)，應(yīng)考慮減壓回路；當(dāng)載荷變化較大時(shí)，應(yīng)考慮多級(jí)壓力控制回路；當(dāng)有慣性較大的運(yùn)動(dòng)部件時(shí)容易產(chǎn)生沖擊時(shí)，應(yīng)考慮緩沖或制動(dòng)回路；在有升降運(yùn)動(dòng)部件的液壓系統(tǒng)中應(yīng)考慮平衡回路等。本設(shè)計(jì)中采用通常將調(diào)壓、限壓回路與油源回路合并考慮。3）速度控制回路：液壓系統(tǒng)原理圖的核心是調(diào)速回路，調(diào)速方案和調(diào)速回路對(duì)其它回路的選擇具有決定性的影響。本系統(tǒng)是功率較小的，故選用簡(jiǎn)單的進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速。同樣的道路選用單泵供油，力求較好的經(jīng)濟(jì)性。在機(jī)械手的升降缸采用單伸出桿時(shí)，為了使往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度一致時(shí)要采用兩個(gè)單向節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)。若只用一個(gè)節(jié)流閥調(diào)速時(shí)，則應(yīng)將節(jié)流閥放到換向閥下面，并按有桿腔進(jìn)油達(dá)到最大允許速度，但仍然符合設(shè)計(jì)要求。4）方向控制回路：控制執(zhí)行元件的啟動(dòng)、停止或改變運(yùn)動(dòng)方向或控制液流通斷或改變方向均需采用方向控制回路。實(shí)現(xiàn)方向控制的基本方法有：閥控主要是采用控制閥分配液流；泵控是采用雙向定量泵或雙向變量泵改變液流的方向和流量；執(zhí)行元件控制是采用雙向液壓馬達(dá)來改變液流方向。本設(shè)計(jì)中采用閥控。 液壓元件的選擇 液壓泵的選擇油泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件，是液壓系統(tǒng)的心臟，它把原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)等）輸入的機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩和角速度）轉(zhuǎn)換為液壓能（壓力和流量）輸出，為執(zhí)行元件提供壓力油。液壓泵的性能好壞直接影響到液壓系統(tǒng)的工作特性和可靠性，在液壓傳動(dòng)中占有及其重要的地位。液壓泵按排量能否改變分為定量泵和變量泵；按進(jìn)、出油口的方向是否可變分為單向泵和雙向泵；按運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)方式分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵。選用液壓泵的原則和根據(jù)有：（1） 是否要求變量 要求變量選用變量泵，其中單作用葉片泵的工作壓力較低，僅適用于機(jī)床系統(tǒng)。（2） 工作壓力 目前各類液壓泵的額定壓力都有所提高，但相對(duì)而言，柱塞泵的額定壓力最高。（3） 工作環(huán)境 齒輪泵的抗污染能力最好，因此特別適于工作環(huán)境較差的場(chǎng)合。（4） 噪音指標(biāo) 屬于低噪音的液壓泵有嚙合齒輪泵、雙作用葉片泵和螺桿泵，后兩種泵是瞬時(shí)理論流量均勻。（5） 效率 按結(jié)構(gòu)形式分，軸向柱塞泵的總效率最高；而同一種結(jié)構(gòu)的液壓泵，排量大的總效率高；同一排量的液壓泵，在額定工況（額定壓力、額定轉(zhuǎn)速、最大排量）時(shí)總效率最高，若工作壓力低于額定壓力或轉(zhuǎn)速低于