【正文】 同時(shí)手爪夾緊 ，抓住工件 ； —— → 上升電磁閥通電，機(jī)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(dòng)機(jī)械手逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)； —— → 接著下降電磁閥通電，機(jī)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(jī)械手到達(dá) 卡盤中心高度 ； —— → 機(jī)械手開始水平定位后縮，將工件裝入機(jī)床 卡盤 ； —— → 當(dāng)工件裝 入 到位后， 卡盤收緊 ； —— → 機(jī)械手松開手爪，準(zhǔn)備離開； —— → 接著上升電磁閥通電，機(jī)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(dòng)高速脈沖驅(qū)動(dòng)機(jī)械手作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)過 90 度到位后， PLC 停止輸出脈沖，機(jī)械手停止轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械手回到原點(diǎn)待命 ； —— → 機(jī)床 進(jìn)行加工 。 機(jī)械手的作業(yè)流程 機(jī)械手的作業(yè)動(dòng)作流程如 圖 41 所示： 圖 41 上下料機(jī)械手工作流程圖 從原點(diǎn)開始，按下啟動(dòng)鍵， 且有上下料命令，則 水平液壓缸開始前伸并進(jìn)行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； —— → 下降電磁閥通電，同時(shí)手爪柱塞缸電磁閥也通電，機(jī)械手下降，同時(shí)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。 當(dāng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)到機(jī)床上方時(shí)并準(zhǔn)備下降進(jìn)行上下料工作時(shí)，為了確保安全，必須在 機(jī)床停止 工作并發(fā)出上下料命令時(shí)，才允許機(jī)械手下降進(jìn)行作業(yè)。 而執(zhí)行手爪的加緊與放松，通過柱塞缸 與齒輪 來實(shí)現(xiàn)。只有當(dāng)上升電磁閥通電時(shí)，機(jī)械手才上升；而當(dāng)上升電磁閥 斷 電時(shí)，機(jī)械手上升停止。而液壓缸又由相應(yīng)的電磁閥控制。 42178。 所選電機(jī)相關(guān)參數(shù) 圖 32 圖 33 110BYG550BSAKRMA0301 步進(jìn)電機(jī)的 矩頻特性曲線 第 4 章 機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 機(jī)械手工藝過程與控制要求 機(jī)械手的動(dòng)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)。 41178。 驅(qū)動(dòng)方式：升頻升壓； 步距角： 176。 電機(jī)型號(hào)的選擇 根據(jù)以上結(jié)果，綜合考慮各種因素，選擇國(guó)產(chǎn) 北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司（原北京四通電機(jī)公司）的步進(jìn)電機(jī)，具體型號(hào)為： 110BYG550BSAKRMA0301 或 110BYG550BSAKRMT0301 或 110BYG550BBAKRMT0301, 該步進(jìn)電機(jī) 高轉(zhuǎn)矩，低振動(dòng)，綜合性能很好。 RfGRFT fl ????? （ 330） 式中， f 為滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)，取 ； G 為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取 100 KG ； R 為回轉(zhuǎn)軸上傳動(dòng)大齒輪分度圓半徑， R=240 mm ； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì) 算得 lT = mN? ； 同時(shí)，腰部回轉(zhuǎn)速度定為 lN =5r/min；傳動(dòng)比定為 1/120； 且， 2mgDGDl ? 帶入數(shù)據(jù)得 ： lGD = 2mN? 。 因?yàn)檠炕剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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。 )(375 )(22LPMLMd TT NGDGDt ? ??? （ 329） 式中， 0P 為額定功率， KW； aP 為加速功率， KW； lN 為負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度， r/min； MN 為電機(jī)軸回轉(zhuǎn)速度， r/min； lV 為負(fù)載的速度， m/min； ? 為減速機(jī)效率； ? 為摩擦系數(shù)； lT 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸）， mN? ； pT 為電機(jī)啟動(dòng)最大轉(zhuǎn)矩， mN? ； LT 為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上）， mN? ； 2lGD 為負(fù)載的 2GD ， 2mN? ； 2LGD 為負(fù)載 2GD （折算到電機(jī)軸上）， 2mN? ； 2MGD 為電機(jī)的 2GD ， 2mN? ； 具體到本設(shè)計(jì)，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)是驅(qū)動(dòng)腰部的回轉(zhuǎn)，傳遞運(yùn)動(dòng)形式屬于第二種。 負(fù)載 2GD （折算到電機(jī)軸）： 22 ）（MLL NVWGD ??? ? （ 321） 起動(dòng)時(shí)間： )(375 )(22LPMLMa TT NGDGDt ? ??? （ 322） 制動(dòng)時(shí)間： )(375 )(22LPMLMd TT NGDGDt ? ??? （ 323） 負(fù)載額定功率： ????955010 LNTP （ 324） 負(fù)載加速功率： aLLa tNGDP ?? ?? 3 22 103 5 7 7 （ 325） 負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）： lM LL TNNT ??? ? （ 326） 負(fù)載 GD（折算到電機(jī)軸）： 222 )( lMLL GDNNGD ? （ 327） 起動(dòng)時(shí)間： )(375 )(22LPMLMa TT NGDGDt ? ??? （ 328） 制動(dòng)時(shí)間： 178。 電機(jī)選型有關(guān)參數(shù)計(jì)算 有關(guān)參數(shù)的計(jì)算 （通過滾珠絲杠） 則有 負(fù)載額定功率： ?? ?? ??? 40 106 LVWP （ 318） 負(fù)載加速功率： aLLa tNGDP ?? ?? 3 22 103 5 7 7 （ 319） 負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸 ）： ??? ?? ??? M LL N VWT 2 （ 320） 178。因?yàn)樵撘簤合到y(tǒng)比較簡(jiǎn)單，該項(xiàng)驗(yàn)算從略。 這部分在考慮具體的作業(yè)時(shí)根據(jù)詳細(xì)的要求再結(jié)合具體情況進(jìn)行詳細(xì)，這里暫 從 略。 37178。 vAq ???max （ 315） 經(jīng)計(jì)算得 maxq = min/L 帶入上式得 m in/ Lq p ??? （ 3）確定液壓泵電機(jī)的功率 ????? 602 m a xqpP p工 （ 316） 式中， maxq 為 最 大 運(yùn) 動(dòng) 速 度 下 所 需 的 流 量 ， 同 前 ， 取 為 min/L ； p 液壓泵實(shí)際工作壓力， 5 MPa ； ? 為液壓泵總效率，取為 ； 帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得 ： 工P = 。 ??1p 對(duì)于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)，可估為（ ~）MPa ，這里取為 1 MPa 。 計(jì)算和選擇液壓元件 （ 1）確定液壓泵的實(shí)際工作壓力 p ???? 11 pppp （ 312） 式中， 1p 計(jì)算工作壓力，前以定為 MPa4 ； 178。 因此液壓缸壁厚強(qiáng)度滿足要求。 35178。這里同樣采用了導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)，圍繞垂直升降缸設(shè)置四根導(dǎo)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 60 10 25 100 1 因?yàn)榇怪币簤焊姿惺艿妮d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(dá)到這個(gè)目的，設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)導(dǎo)向桿，以滿足長(zhǎng)行程活塞桿的穩(wěn)定性和導(dǎo)向問題。同時(shí)具有比較大的彎矩和比較長(zhǎng)的行程，這對(duì)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 60 10 25 400 1 因?yàn)樯炜s缸的作用主要是實(shí)現(xiàn)伸縮直線運(yùn)動(dòng)這個(gè)運(yùn)動(dòng)形式，在其軸向上并不承受顯性的工作載荷（因?yàn)?手爪夾持工件，受力方向?yàn)榇怪狈较颍?，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。 178。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(jì)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(shí)現(xiàn)。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： NFc 920? 而液壓缸的工作驅(qū)動(dòng)力是 由缸內(nèi)油壓提供的，故有 APFc ?? （ 39） 式中， P 為柱塞缸工作油壓； A 為柱塞截面積； 經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為 ： MPa3 針對(duì)本設(shè)計(jì)是一個(gè)機(jī)械手的特點(diǎn)考慮，機(jī)械手系統(tǒng)的剛度及其穩(wěn)定性是很重要的。 33178。 工作壓力計(jì)算 手爪要能抓起工件必須滿足： GkkkN 321? （ 36） 式中， N 為所需夾持力； 1k 安全系數(shù) ， 通常取 ~2； 2k 為 動(dòng)載 系數(shù)， 主要考慮慣性力的影響可按 gak ??12 估算， a 為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程 的加速度 2/sm ， 2/ sma? ， g 為重力加 速度 ； 3k 方位系數(shù) ，查表選取 13?k ； G 被抓持工件的重量 30kg ； 帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得： NN 120? ； 理論驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ： ???12 NRbp （ 37） 式中， p 為柱塞缸所需理論驅(qū)動(dòng)力； b 為 夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn) 的垂直距離 ； R 為 扇形齒輪分度圓半徑 ； N 為 手指夾緊力 ； ? 齒輪 傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)的 效率，此處選為 ； 其他同上。 32178。 31178。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度和結(jié)構(gòu)尺寸。 30178。 另外，由于機(jī)械手垂直升降缸在工作時(shí)其下降方向與負(fù)荷重力作用方向一致，下降時(shí)有使運(yùn)動(dòng)速度加快的趨勢(shì)，為使運(yùn)動(dòng)過程的平穩(wěn)，同時(shí)盡量減小沖擊、振動(dòng)，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。 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(gè)單向節(jié)流閥。 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，水平伸縮缸 /的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 178。 本設(shè)計(jì)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。 油液的凈化裝置是液壓源中不可缺的元件。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(shí)起到控制并穩(wěn)定油源壓力的作用。 本設(shè)計(jì)的方向控制采用電磁換向閥來實(shí)現(xiàn)，而速度的控制主要采用節(jié)流調(diào)速，主要方式是采用 比較 簡(jiǎn)單的節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)。 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)。對(duì)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(dòng)作。 擬定液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)控制回路 液壓執(zhí)行元件確定后，其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)動(dòng)速度的控制是液壓 回路的核心問題。同時(shí)考慮機(jī)械手的工作載荷和工作現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)機(jī)械手布局以及定位精度的具體要求 以及計(jì)算機(jī)的控制的因素 ，腰部的回轉(zhuǎn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，剩下的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)均為直線運(yùn)動(dòng)。 28178。 第 3 章 理論分析和設(shè)計(jì)計(jì)算 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 確定 液壓系統(tǒng)基本方案 液壓執(zhí)行元件大體分為液壓缸和液壓馬 達(dá)，前者實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，后者實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 178。 設(shè)計(jì)具體采用的方案 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)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(jì)以及整個(gè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)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(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身盡可能達(dá)到平衡。活塞式平衡需要配備有專門的液壓或氣動(dòng)裝置，系統(tǒng)復(fù)雜，因此造價(jià)高，設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試都增加了難度，但是平衡效果好。 彈簧平衡 機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、工作可靠、平衡效果好、易維修，因此應(yīng)用 廣泛。 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(jiǎn)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。 機(jī)器人手臂的平衡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 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(jì)結(jié)構(gòu)，使得手臂本身可能達(dá)到平衡。 2