【正文】 根據(jù)手部液壓缸的行程即 12mm，可以計算出扇形齒輪所旋轉(zhuǎn)的角度。 vAq ???max （ 315） 經(jīng)計算得 maxq =帶入上式得 L /m in4 5 4 ???pq （ 3）確定液壓泵電機的功率 ????? 602 m axqpP p工 （ 316） 式中， maxq —— 為最大運動速度下所需的流量，同前，取為 ； p —— 液壓泵實際工作壓力， 5MPa； ?—— 為液壓泵總效率，取為 ； 帶入數(shù)據(jù)計算得： 工P =。 計算和選擇液壓元件 （ 1）確定液壓泵的實際工作壓力 p ???? 11 ppp p （ 312） 25 式中， 1p —— 計算工作壓力，前以定為 MPa4 ； ??1p —— 對于進油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（ ~） MPa ，這里取為 1MPa 。因此液壓缸壁厚強度滿足要求。這里同樣采用了導向桿機構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置兩根導桿，較好的解決了這一問題。 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 80 7 40 200 3 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）。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。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。 表 33 水平伸縮液壓缸參數(shù) 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 40 7 20 200 2 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，其所受的載荷主要是徑向載荷，載荷性質(zhì)為彎矩，使其產(chǎn)生彎曲變形。至于液壓缸的工作壓力和缸的工作速度，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)。 A3= 23 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。 4 =942mm （ 39） 式中， P —— 為柱塞缸工作油壓； A —— 為柱塞截面積； 經(jīng)計算，所需的油壓約為： 根據(jù)機構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機械載荷為 bfsfmw FFFFFF ????? （ 310） 式中， wF —— 為外加的載荷， wF =80 =784N； mF —— 為活塞上 所受的慣性力； sfF —— 為密封阻力； fF —— 為導向裝置的摩擦阻力； bF —— 為回油被壓形成的阻力； （ 1） mF 的計算 tvgGFm ???? （ 311） 式中， G—— 為液壓缸所要移動的總重量，取 為 80KG； g —— 為重力加速度， 2m/ ； v? —— 為速度變化量 , v? =； t? —— 啟動或制動時間，一般為 ~ ，取 將各值帶入上式，得： mF = 22 （ 2） sfF 的計算 1ApF fsf ??? （ 312） 式中， fp? —— 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 MPa，查相關(guān)手冊取 = MPa； 1A —— 為進油工作腔有效面積，缸內(nèi)徑 D 初定 80mm； 啟動時： ?sfF 820N 運動時 ： ?sfF =410N （ 3） fF 的計算 機械手垂直方向上有兩個導桿，導桿和外導套之間的摩擦力約為 0 （ 4） bF 的計算 回油背壓形成的阻力按下式計算 3bb ApF ?? （ 313） 式中， bp —— 為回油背壓，一般 為 ~ MPa，取 = MPa 3A —— 為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為 2； 3A =? (D2d2)247。帶入數(shù)據(jù)，計算得 ?P 835N 計算驅(qū)動力計算公式為： ?FkkFc 41? （ 38） 式中， cF —— 為計算驅(qū)動力； 1k —— 安全系數(shù)，此處選 ； 4k —— 工作條件系數(shù)，此處選 ； 其他同上。 4=942mm2 將各值帶入上式有 ， bF =283N 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 F=877N 液壓缸所需壓力為 P1=F247。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。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濾器對循環(huán)的液壓油進行凈化。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。一般泵的入口要裝粗濾油器，進 入系統(tǒng)的油液根據(jù)要求，通過精濾油器再次過濾。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。 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。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。對高壓大流量的系統(tǒng)，多采用插裝閥與先導控制閥的邏輯組合來實現(xiàn)。 方向控制是用換向閥或是邏輯控制單元來實現(xiàn)。因此，機械手的水平手臂和垂直手臂都采用單活塞桿液壓缸，來實現(xiàn)直線往復(fù)運動。 二者的特點及適用場合見表 31： 表 31 液壓缸液壓馬達的特點及應(yīng)用場合 名 稱 特 點 適 用 場 合 雙活塞桿液壓缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復(fù)場合 單活塞桿液壓缸 有效工作面積大、 雙向不對稱 往返不對稱的直線運動，差動連接可實現(xiàn)快進 柱塞缸 結(jié)構(gòu)簡單 單向工作，靠重力或其它外力返回 擺動缸 單葉片式小于 360 雙葉片式小于 180 小于 360 的擺動； 小于 180 的擺動 齒輪馬達 結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜 高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 葉片馬達 體積小、轉(zhuǎn)動慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏的回轉(zhuǎn)運動 擺線齒輪馬達 體積小、輸出轉(zhuǎn)局大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 軸向柱塞馬達 運動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬 大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運動 徑向柱塞馬達 轉(zhuǎn)速低，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，輸出轉(zhuǎn)矩大 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動 本設(shè)計因為機械手的形式為圓柱坐標形式，具有 3 個自由度，一個轉(zhuǎn)動，兩個移動自由度。 此處選擇了配重平衡機構(gòu)及添加配重鐵的形式。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或氣動裝置，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。 彈簧平衡機構(gòu)，機構(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。 機器人平衡機構(gòu)的形式 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，但增加了機器人手臂的慣量與關(guān)節(jié)軸的載荷。 機械手手臂的平衡機構(gòu)設(shè)計 直角坐標型、圓柱坐標型和球坐標型機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到平衡。機械手腰部的旋轉(zhuǎn)運動需要一定的載荷動力，故采用液壓擺動馬達驅(qū)動來實現(xiàn)；因為采用液壓執(zhí)行缸來做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液壓驅(qū)動。故綜合前面幾點，實現(xiàn)機身擺動的元件我選擇的是液壓馬達。擺動氣缸是氣壓元件，不適合本設(shè)計。最主要的是我所設(shè)計的機械手都是用液壓系統(tǒng)，如果轉(zhuǎn)動部分應(yīng)用電機，會增加成本，違背現(xiàn)代設(shè)計的原則。 機身擺動驅(qū)動元件的選取 14 能實現(xiàn)擺動的驅(qū)動系統(tǒng)有很多，如電機驅(qū)動、馬達驅(qū)動、齒輪齒條機構(gòu)、擺動氣缸等。它可安裝在機械手手臂關(guān)節(jié)上，實現(xiàn)直接驅(qū)動。 在機械手的驅(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。 （ 2） 定位點的緩沖與制動：因為機器人手臂的運動慣量比較大，在定位點前要加緩沖與制動機構(gòu)或鎖定裝置。 這類機械手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。容積調(diào)速系統(tǒng)，動態(tài)特性不如前者，但效率高。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)。 機械手液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)在機械手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、和速度的控制，進而控制機械手手臂按給定的運動規(guī)律動作。但因為這類驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)點比較突出，因此在機器人中被廣泛的使用。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構(gòu)。 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機及其配套的伺服驅(qū)動器（交流變頻器、直流脈沖寬度調(diào)制器）的廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大 13 量采用。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是，液壓系統(tǒng)需 要進行能量轉(zhuǎn)換（電能轉(zhuǎn)換成液壓能），速度控制多數(shù)情況下采用節(jié)流調(diào)速，效率比電動驅(qū)動系統(tǒng)低，液壓系統(tǒng)的液體泄露會對環(huán)境產(chǎn)生污染，工作噪音也較高。 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。故不需要中間傳動機構(gòu)，這既簡化了結(jié)構(gòu)，同時又提高了精度。其缺點是帶輪較大、安裝面積大、加速度不宜太高。由于電機距離被傳動的腕關(guān)節(jié)較遠，故采用精密套筒滾子鏈來傳動。 鋼帶傳動的特點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、運行可靠、噪聲低，驅(qū)動力矩大、壽命長，鋼 12 帶無蠕變、傳動效率高。其主要缺點是安裝精度要求高、中心距要求嚴格，同時具有一定的蠕變性。為保證帶和帶輪作無滑動的同步傳動，齒形帶采用了承載后無彈性變形的高強力材料，無彈性滑動，以保證節(jié)距不變。由于滾珠絲杠傳動返行程不能自鎖；因此在用于垂直方向傳動時，須附加自鎖機構(gòu)或制動裝置。通過預(yù)緊，能消除間隙、提高傳動剛度；進給精度和重復(fù)定位精度高。絲杠螺母傳動分為普通絲杠（滑動摩擦）和滾珠絲杠（滾動摩擦），前者結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、制造成本低，具有自鎖能力；但是摩擦阻力矩 大、傳動效率低（ 30%~40%）。 螺旋傳動及絲杠螺母，它主要是用來將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動或?qū)⒅本€運動變換為旋轉(zhuǎn)運動。故在工業(yè)機器人系統(tǒng)中得 到廣泛的應(yīng)用。 工業(yè)機械手常用的傳動機構(gòu)形式 11 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，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動等。 盡可能小，動摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，機器人的傳動機構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。由 于傳動部件直接影響著機器人的精度、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、運動平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動機等其它環(huán)節(jié)的動態(tài)性能相匹配等要求的傳動部件。機械手所采用的傳動機構(gòu)與一般機械的傳動機構(gòu)相類似。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖 25 所示 10 圖 25 機械手末端執(zhí)行手爪結(jié)構(gòu)圖 機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計 工業(yè)機械手傳動機構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意的問題 機械手是由多級聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運動機構(gòu)。即 通過活塞桿的直線運動與齒 輪式手指嚙合，轉(zhuǎn)化為手指的張合運動。齒輪齒條結(jié)構(gòu)比較常見，也比較適合于對小型工件的加持，而且加持精度比較高。 為了保持驅(qū)動形式的相同以及操作方便此處選液壓驅(qū)動方式。但是，這種驅(qū)動方式不能用于有防爆要求的條件下，因為電機有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。這種手爪，一般采用直流伺服電機或步進電機，并需要減速器以 獲得足夠大的驅(qū)動力和力矩。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動手爪的抓取運動具有一定的柔順性，這一點是抓取動作十分需