【導讀】近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)。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?？菰锏墓ぷ?，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。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。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。手的研究設(shè)計是非常有意義的。完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。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),目前，在國內(nèi)外各種機器人和機械手的研究成為科研的熱點，件，以降低成本，同時提高可靠性。直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。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。直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。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，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，

　　

【正文】 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。 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。 表 34 垂直液壓缸 參數(shù) 缸內(nèi)徑 mm 壁厚mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 60 10 25 100 1 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。 強度的較核 （ 1） 缸筒壁厚的較核 當 D/ 10?? 時，液壓缸壁厚的較核公式如下： 178。 35178。 )1][ ][(2 ???? yyPPD ??? （ 310） 式中， D 為缸筒內(nèi)徑； yP 為缸筒試驗壓力，當缸的額定壓力 MPapn 16? 時，取為ny pP ? ； ][? 為缸筒材料的許用應(yīng)力， nb /][ ?? ? ， b? 為材料抗拉強度，經(jīng)查相關(guān)資料取為 650 MPa ， n 為安全系數(shù)，此處取 5?n ； 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。 （ 2） 活塞桿直徑的較核 活塞桿直徑的較核公式為 ][4?? Fd? （ 311） 式中， F 為活塞桿上作用力； ][? 為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處 ][ b?? ? ； 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。 計算和選擇液壓元件 （ 1）確定液壓泵的實際工作壓力 p ???? 11 pppp （ 312） 式中， 1p 計算工作壓力，前以定為 MPa4 ； 178。 36178。 ??1p 對于進油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（ ~）MPa ，這里取為 1 MPa 。 因此，可以確定液壓泵的實際工作壓力為 MPap p 514 ??? （ 313） （ 2）確定液壓泵的流量 maxqKqp ?? （ 314） 式中， K 為泄露因數(shù)，取 ； maxq 為機械手工作時最大流量。 vAq ???max （ 315） 經(jīng)計算得 maxq = min/L 帶入上式得 m in/ Lq p ??? （ 3）確定液壓泵電機的功率 ????? 602 m a xqpP p工 （ 316） 式中， maxq 為 最 大 運 動 速 度 下 所 需 的 流 量 ， 同 前 ， 取 為 min/L ； p 液壓泵實際工作壓力， 5 MPa ； ? 為液壓泵總效率，取為 ； 帶入數(shù)據(jù)計算得 ： 工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178。 37178。 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。 （ 1）查閱設(shè)計手冊，選擇油管公稱通徑、外徑、壁厚參數(shù) 液壓泵出口流量以 ，選取 6? ；液壓泵吸油管稍微粗些，選擇 8? ；其余都選為 5? ； （ 2）確定油箱的容量 一般取泵流量的 3~5 倍，這里取為 5 倍，有效容積為 LqV p ????? （ 317） 液壓系統(tǒng)性能的驗算 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。 電機選型有關(guān)參數(shù)計算 有關(guān)參數(shù)的計算 （通過滾珠絲杠） 則有 負載額定功率： ?? ?? ??? 40 106 LVWP （ 318） 負載加速功率： aLLa tNGDP ?? ?? 3 22 103 5 7 7 （ 319） 負載力矩（折算到電機軸 ）： ??? ?? ??? M LL N VWT 2 （ 320） 178。 38178。 負載 2GD （折算到電機軸）： 22 ）（MLL NVWGD ??? ? （ 321） 起動時間： )(375 )(22LPMLMa TT NGDGDt ? ??? （ 322） 制動時間： )(375 )(22LPMLMd TT NGDGDt ? ??? （ 323） 負載額定功率： ????955010 LNTP （ 324） 負載加速功率： aLLa tNGDP ?? ?? 3 22 103 5 7 7 （ 325） 負載力矩（折算到電機軸）： lM LL TNNT ??? ? （ 326） 負載 GD（折算到電機軸）： 222 )( lMLL GDNNGD ? （ 327） 起動時間： )(375 )(22LPMLMa TT NGDGDt ? ??? （ 328） 制動時間： 178。 39178。 )(375 )(22LPMLMd TT NGDGDt ? ??? （ 329） 式中， 0P 為額定功率， KW； aP 為加速功率， KW； lN 為負載軸回轉(zhuǎn)速度， r/min； MN 為電機軸回轉(zhuǎn)速度， r/min； lV 為負載的速度， m/min； ? 為減速機效率； ? 為摩擦系數(shù)； lT 為負載轉(zhuǎn)矩（負載軸）， mN? ； pT 為電機啟動最大轉(zhuǎn)矩， mN? ； LT 為負載轉(zhuǎn)矩（折算到電機軸上）， mN? ； 2lGD 為負載的 2GD ， 2mN? ； 2LGD 為負載 2GD （折算到電機軸上）， 2mN? ； 2MGD 為電機的 2GD ， 2mN? ； 具體到本設(shè)計，因為步進電機是驅(qū)動腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運動形式屬于第二種。下面進行具體的計算。 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； 178。 40178。 RfGRFT fl ????? （ 330） 式中， f 為滾動軸承摩擦系數(shù)，取 ； G 為機械手本身與負載的重量之和，取 100 KG ； R 為回轉(zhuǎn)軸上傳動大齒輪分度圓半徑， R=240 mm ； 帶入數(shù)據(jù)，計 算得 lT = mN? ； 同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為 lN =5r/min；傳動比定為 1/120； 且， 2mgDGDl ? 帶入數(shù)據(jù)得 ： lGD = 2mN? 。 將其帶入上（ 324） ~（ 330）式，得： ；WP ? ；WPa ? 啟動時間 mssta ?? ； 制動時間 mstd 3? ； 折算到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩為： ?LT mN? 。 電機型號的選擇 根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國產(chǎn) 北京和利時電機技術(shù)有限公司（原北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為： 110BYG550BSAKRMA0301 或 110BYG550BSAKRMT0301 或 110BYG550BBAKRMT0301, 該步進電機 高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好。下 圖 為110BYG550BSAKRMA0301型 步進電機 矩頻特性曲線和相關(guān)技術(shù)參數(shù)。 驅(qū)動方式：升頻升壓； 步距角： 176。 ； 其中步距角 ，同時因為腰部齒輪傳動比為 1： 120，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178。 41178。 距角 的 1/120（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。 所選電機相關(guān)參數(shù) 圖 32 圖 33 110BYG550BSAKRMA0301 步進電機的 矩頻特性曲線 第 4 章 機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計 機械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 機械手工藝過程與控制要求 機械手的動作有水平手臂的伸縮，垂直手臂的升降，執(zhí)行手爪的加緊與松開以及腰部的旋轉(zhuǎn)。其中，垂直升降和水平伸縮有液壓178。 42178。 實現(xiàn)驅(qū)動。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。其中，升降分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，例如 ，當下降電磁閥 通電 時，機械手下降；當下降電磁閥斷電時，機械手下降停止。只有當上升電磁閥通電時，機械手才上升；而當上升電磁閥 斷 電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅(qū)動器、感應(yīng)式位移傳感器構(gòu)成的回路進行調(diào)節(jié)控制。 而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過柱塞缸 與齒輪 來實現(xiàn)。柱塞缸由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開 ，柱塞缸 工作 回程 ，手爪閉合。 當機械手旋轉(zhuǎn)到機床上方時并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在 機床停止 工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)。同時， 從 工件 料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無 工件 可取。 機械手的作業(yè)流程 機械手的作業(yè)動作流程如 圖 41 所示： 圖 41 上下料機械手工作流程圖 從原點開始，按下啟動鍵， 且有上下料命令，則 水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； —— → 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止，178。 43178。 同時手爪夾緊 ，抓住工件 ； —— → 上升電磁閥通電，機械手開始上升 ，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止；—— → PLC 開始輸出高速脈沖，驅(qū)動機械手逆時針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過 90度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； —— → 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止 ，機械手到達 卡盤中心高度 ； —— → 機械手開始水平定位后縮，將工件裝入機床 卡盤 ； —— → 當工件裝 入 到位后， 卡盤收緊 ； —— → 機械手松開手爪，準備離開； —— → 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； —— → PLC 啟動高速脈沖驅(qū)動機械手作順時針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動，機械手回到原點待命 ； —— → 機床 進行加工 。 當數(shù)控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后， PLC 馬上輸出脈沖驅(qū)動機械手逆時針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過90 度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； —— → 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊， 夾緊已 加工好的工件； —— → 機床卡盤松開； —— → 機械手開始前伸，將 工件從機床上取出，準備運走； —— → 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關(guān)，上升電磁閥斷電，上升停止； —— → PLC 輸出高速脈沖，驅(qū)動機械手順時針轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機械手停止轉(zhuǎn)動； —— → 下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后碰到下限行程開關(guān)，下降電磁閥斷電