工业机械手设计（含三维proe仿真及CAD图纸）

工业机械手设计（含三维proe仿真及CAD图纸）,工业,机械手,设计,三维,proe,仿真,CAD,图纸 工业机械手设计 THE DESIGN OF INDUSTRIAL MANIPULATOR 摘要 在自动化生产中，工业机械手是工业发展必要的高科技生产设备。本论文首先对工业机械手的发展应用及组成分类进行了介绍。接着从工业机械手的基本功能设计出发，对机械手的功能原理、结构设计、液压系统及三维建模分别进行了详细阐述。综合运用了大学期间有关于机械设计、机械自动化方面的知识，完成了对此次机械手的设计计算，并绘制了相应的工业机械手装配图及各零部件图。最后还运用三维仿真软件对本次设计机械手进行了运动仿真，抓取了机械手手部的运动曲线。 工业机械手设计的主要技术关键问题为：夹持机构的夹紧与翻转；行程机构的转向与伸缩；提升机构的提升；液压系统元件的设计。 关键词 工业机械手；夹持；液压系统；运动仿真 Abstract In automatic production, industrial manipulator is necessary industrial development of high-tech production equipment. Firstly the industrial development of the application and classification of the manipulator are introduced in this paper. Then starting from the basic function of industrial manipulator design, the function of the manipulator principle, structure design, hydraulic system and 3 d modeling in detail respectively in this paper. Integrated use of the university knowledge of mechanical design, mechanical automation, completed the design and calculation of the manipulator, and draw the corresponding industrial manipulator assembly drawing and parts drawing. Finally, using 3 d simulation software for the design of manipulator motion simulation, grab the manipulator hand movement curve. The mainly key problem of design a mechanical hand is :Clipping the object and revolving;The route of travel organization;the promotion of the organization;The design of the hydraulic system components. Keywords：Industrial mechanical hand；Gripper；The hydraulic system；Motion simulation II 目 录 摘要 I Abstract II 1 绪论 1 1.1 工程机械手简述 1 1.1.1 机械手简史 1 1.1.2 机械手应用介绍 1 1.2 机械手的组成分类 2 1.2.1机械手的组成 2 1.2.2机械手的分类 2 1.3本次课题研究的主要内容 3 1.3.1主要内容及要求 3 1.3.2 研究内容拟解决的问题 3 2 工业机械手总体方案设计 4 2.1 机械手总体设计方案拟定 4 2.2机械手总体设计方案选定 5 2.3工业机械手主要参数 6 3 机械手执行机构设计 8 3.1机械手夹持机构设计 8 3.1.1机械手夹紧力计算 8 3.1.2液压缸驱动力计算 9 3.1.3液压缸主要尺寸计算 10 3.1.4液压缸活塞杆计算及校核 11 3.1.5活塞的选用设计 11 3.1.6复位弹簧设计计算 12 3.1.7液压缸端盖、管接头选择及油管管道尺寸计算 14 3.1.8机械手腕部回转缸设计计算 15 3.2机械手腕部设计 17 3.3机械手手臂设计 18 3.4机械手机身底座设计计算 20 3.5机械手回转台设计计算 21 3.5.1回转台内齿轮传动设计 21 3.5.2回转台内传动轴设计计算 22 4 液压驱动控制系统设计 28 4.1液压驱动系统设计 28 4.1.1调压回路 28 4.1.2调速回路 29 4.1.3保压回路 29 4.1.4换向回路 30 4.1.5缓冲回路 30 4.2液压控制系统设计 31 4.3液压泵以及液压元件的选择 31 5 机械手三维建模及运动仿真 33 5.1机械手三维建模处理 33 5.1.1机械手手部零件建模 33 5.1.2机械手液压缸建模 33 5.1.3机械手手臂建模 34 5.1.4机械手手腕建模 34 5.1.5机械手回转工作台建模 35 5.2机械手ADAMS运动仿真 36 5.2.1ADAMS模型导入 36 5.2.2机械手约束添加 37 5.2.3 ADAMS运动仿真 38 结论 40 致谢 41 参考文献 42 42 1 绪论 1.1 工程机械手简述 近些年来，工业机械手成为产业自动化控制的一个新兴产业。工业机械手融入了许多学科知识，成为产业自动化的代名词。机械手的主要功能在于代替人工进行作业，并且能够完全自动化的、有控制的完成工业劳动。随着人类的产业升级，越来越高级的机械手能够完成更多更复杂的作业以及在人类无法适应的环境下完成动作，机械手的发展越来越广泛。 1.1.1 机械手简史 机械手起始于古代自动机械装置，早在20世纪中期就开始研究了。一方面，计算机技术机械自动化的发展，机械手趋向于自动智能化。同时，自动化技术的快速发展源自工厂大批量生产，各式各样的机械手纷纷现世。另一方面，因为核能技术的研究要求，在有辐射的环境下，机械手代替人工来完成任务。在这样的发展背景下，美国工业最早研究机械手。先后开发了遥控机械手、主从式机械手、示教型机械手等等。此后，美国又试制了一台控制系统为数控示教再现型的Unimate机械手。同一年，Versatrap机械手试制成功，其控制系统以磁鼓作为内存储器，并在之后发展成为球坐标式通用机械手。这两种不同的机械手，为国外工业机械手的发展奠定了基础。随着各方面的发展，计算机技术、控制系统应用、电子技术以及人工智能等使机械手功能越来越全面，专用型的机械手也慢慢向通用型转换。 就目前来说，机械手在国内外仍是颇受重视，在自机械手被研究设计以来，这方面的技术研究一直都比较火热。从第一代机械手被研制以来，第二代主要用来装卸和传送工物件。而之后，机械手在汽车行业装配线的应用使得第二代机械手达到成熟阶段。此后，机械手在特殊领域内得到相对较大的发展，如医疗、航天等等。 1.1.2 机械手应用介绍 随着当今世界科学技术发展的越来越快，机械工业领域中的机械化及自动化发展成为当今最为瞩目的话题。随着工业发展越来越趋向于大型化及微型化发展，大批量生产时如何更高效的进行加工、小批量生产时如何更迅速的生产，机械手的应用及发展越来越普及。 （1）制造方面的应用： 机械手在制造业中代替人去完成各种恶劣环境下的工作（如高温、真空等工作环境）以及需要笨重的体力劳动。随着工业生产工作效率的提高、工件大型化、产品精度等级提升及人员安全等要求，搬运及装配等工序过程中，机械化以及自动化要求变得越来越重要。 （2） 服务方面的应用 随着人工智能的发展，机械手在服务业发展迅速。在军事方面，让机器人执行一些自动探查与搜索的任务，还能够代替人工完成完成一些不复杂的工程建设及后勤服务等，从而减少士兵劳动量。在生活方面，能够为人类完成各种要求，从洒扫机器人到烹饪再到机器人保姆等等，机器人在服务行业越来越人性化。 此外，机器人还可以辅助监测病房内的空气质量，协助医生完成一些高难度手术等等。 1.2 机械手的组成分类 1.2.1机械手的组成 机械手主要是由传动机构、控制机构以及驱动机构等其他元器件组成的。 机械手手部的作用是用来抓取以及放置物件的，其主要由手指、传力部分组成的；传动机构主要作用是用来改变物件的一些位置以及方向的，它主要包括手臂和手腕；驱动机构主要是用来提供动力的，其主要包括液压型的驱动、气压型的驱动以及电力型的驱动；控制机构主要是用来控制物件的一些位置与时间的；其他机构，比如机体，传感器机构等。 1.2.2机械手的分类 机械手可以分为以下四类： 1. 按机械手使用的范围： （1） 专用类机械手，这一类的机械手一般只有固定的程序。它在某种机器或生产线进行传输或操作某一物件，比如给毛坯进行上下料的机械手、自动装配机械手以及自动车铣机械手等等。这种专用型的机械手结构相对比较简单，成本也比较低廉，更适用于一些大批量简单操作的生产单位中。 （2） 通用类机械手，这一类机械手具有可变和单独驱动的控制系统，不再是某种机器，而是能自动完成物件传送或操作的机械装置。通过其定位方式和控制方式的不同，通用类机械手可以分为简易型和伺服型两种。简易型只能够点位控制，属于程序控制机械手，伺服型则既能够进行点位控制，也能够连续轨迹控制，属于数字控制类型机械手。 2.按机械手使用功能： （1） 简易型，该工业机械手多由气压驱动或液压驱动，结构相对来说比较简单，分为固定程序和可变程序两种。简易型机械手一般只适用于较为简单的点位控制，只做一些简单的搬运作业。 （2） 记忆再现型，此类机械手拥有记忆元件，能够将动作程序记录下来，此后机械手就将按记录下来的程序一遍一遍重复循环动作。 （3） 数字控制型，这一类机械手能够进行编程控制，其动作程序可以更换，适应场合及范围更广，还可以多台计算机控制。此类机械手多配备有可编程控制器或者微型计算机。 （4） 人工智能型，该机械手通过计算机对各种传感元件的感知进行控制，具有视、听、触、热以及行走机构。 1.3本次课题研究的主要内容 1.3.1主要内容及要求 本次设计的工业机械手要将工件从一工作台移至另一工作台。工件为圆柱形铸铁件，其直径范围：20—80mm、高度范围：50—150mm，工件重量小于20Kg。其定位精度为±0.5mm。两工作台之间平行且距离为1500mm。一工作台处于连续运转状态。 工作量要求： 1.有关文献研读； 2.完成设备总装配图以及部分重要零部件图，A0 1张，A1、A2等数张； 3. 完成设计说明书1份，不少于15000字，打印装订成册； 4.完成不少于5000汉字的英译汉。 1.3.2 研究内容拟解决的问题 1、对工业机械手各主要组成部分进行分析，由此来确定机械手各个部件的主要构造，并对各主要部件进行分析计算。 2、确定机械手能够实现的各种功能，如：手抓去，腕回转，臂伸缩。 3、设计机械手的传动系统以及对机械手各部件可靠性的校验。 2 工业机械手总体方案设计 2.1 机械手总体设计方案拟定 工业机械手是一种自动化的机械装置，能够按照一定的程序、轨迹以及要求仿照人手，去实现抓取、搬运、卸下甚至其他更复杂的操作。随着科学技术的发展，工业机械手能够独立的按照设定程序自动重复作业，直至完成生产要求。 根据此次设计内容及要求，本次机械手设计需具备取卸物料、传输物料等功能。根据此次设计要求，有以下多种设计方案： （1） 机械手臂为直角坐标式，产线为线性布置，机械手能够按照顺序依次完成动作。这个方案的优点是结构简单，配线容易且自由度少；其缺点是机械手需要架空行走、油液站不能固定，让设计的复杂程度增大的同时也让运动的质量增大。 图2-1 坐标式机械手布局示意图 （2）采用立柱式机身，机械手从侧面按顺序完成作业动作，产线仍呈直线布置。此方案的优点是液压站集中设计，且电气、油路的连接可以实现定点连接，缺点是占地面积较大，手臂悬伸较长。 图2-2 立柱式机械手示意图 （3）采用机座式机身，产线环绕机械手机座布置，机械手按顺序完成作业动作。此方案既有集中电液又有占地面积小的优点，还具备从低处抓取工件的功能。 图2-3 机座式机械手示意图 2.2机械手总体设计方案选定 机械手采用夹钳式抓取机构，送放机构由手臂、手腕、回转台以及液压缸等装置组成。其运动坐标形式为球坐标式机械手，有五个自由度。手腕能够进行抓取及回转运动，指型结构为平面型，由液压缸推动活塞拉动杠杆以夹紧工件。 通过销轴将机械手腕部和手臂连接并定位，一端用螺母锁死。利用铰链将腕部与液压伸缩缸活塞杆连接，这样，伸缩缸活塞做直线运动的同时使腕部绕着回转销轴转动。机械手腕部的回转动作则由回转油缸来完成。 机械手手臂可以相对机身进行回转运动，能够绕过障碍夹送工件。机械手俯仰运动由直动式液压缸驱动，具有工作可靠、结构简单、性能稳定等优点。机身回转工作台由电动机驱动齿轮机构进行传动，并且利用挡块限制构件的相对运动，起到定位作用，定位误差大于0.5小于1mm。在常用的传动机构中，齿轮传动的传动效率高、传动比准确；此外在满足使用功能、强度等条件下，齿轮传动能够满足机构紧凑要求。而且，设计制造正确合理齿轮工作可靠程度以及使用寿命更是其他机械传动所不能比拟的。 图2-4液压机械手 本次设计的工业机械手具有五个自由度，包括机械手手腕的抓放、旋转、俯仰，机械臂的俯仰以及机身工作台的旋转五个动作。 2.3工业机械手主要参数 工业机械手的主要参数可以分为三种：主要功能参数、规格参数以及液压系统参数。 主要功能参数： 1、机械手抓重 工业机械手的抓重是机械手所能抓取工件的最大重量，按照设计任务书上的要求，根据外形要求及材料考虑，假设材料为铸铁，其密度为，取工件本身质量为12kg。又工业机械手有一定安全度要求，取其安全系数为1.3，则得到机械手抓重G为15kg。 2、自由度数 工业机械手的自由度数的多少表明了机械后运动是否灵活，越多的自由度数意味着机械手功能跟强大，能够适应更多的工作环境。但与此同时，自由度数越多则意味着机械手的结构越复杂、制造精度越高，所以既能很好的完成作业任务、机械结构又不太复杂的机械手自由度数一般为4~5。由自由度数计算公式 式（2.1） 有=65-55=5，即其自由度数为5。 3、工作速度 机械手在其工作范围内的平均运动速度就是机械手的工作速度，工作速度是机械手工作频率以及生产率的一个重要参数。机械手工作速度越快，其工作效率越高，生产效率更快。但是工作的高速带来运动过程中更大的机械撞击及震动，对于机械手的工作精度及其使用寿命都有较大影响。因此，一般机械手的工作速度都根据生产安全、生产要求、产品精度以及机械手使用寿命来确定。 4、工作范围 机械手的工作范围与机械手的抓重、行程、回转范围等多方面因素有关。为使机械手具有更强的工作适应性、更大的工作范围，一般机械手的最大工作范围由其活动范围确定，即一个球面的区域。 5、位置精度 位置精度是衡量机械手在工作时生产的产品是否合格的一个重要参数。因此，设计机械手的时候对于工件定位、抓取精度、运动稳定性以及抓取能力对其位置精度有着很高的要求。位置的控制方式和机械手运动部件的强度、刚度都能影响位置精度的高低，此外机械手的抓重以及工作速度也影响着其位置精度。 液压系统主要性能参数确定： 液压执行元件的工作压力p以及最大流量q影响了液压系统正常工作的主要性能。液压执行元件的工作压力以及最大流量是计算和选择液压元件、辅件以及电机的主要依据。液压系统的工作压力可根据最大负载参照表选取，也可根据设备类型参照表选取。系统设计的是否经济合理取决于工作压力的大小。查表，拟选液压系统工作压力为1.6MPa。考虑到进油油路的压损问题，取。又因为液压系统中有漏油等问题，取修正系数，机械手抓取及回转的工作压力为1.3MPa，选用流量4.5L/min。 式（2.2） 式（2.3） 代入数据可计算出： ，可知符合设计要求。 3 机械手执行机构设计 3.1机械手夹持机构设计 工业机械手夹持机构又称手部，是机械手的关键部位之一，用来直接抓取工件或工具按规定程序完成动作。工业机械手的夹持结构因为抓取工件的外形、尺寸、材料组成、质量等不同而多种多样。一般来说，根据夹持工件的原理，机械手抓取机构可以分为吸附与夹持两种。夹钳式抓取机构由驱动机构、传动机构以及手指三部分组成。夹持式抓取机构具有更大的适应性，能够对轴、盘或其他非标转零件进行抓取。其驱动机构为传动机构提供动力（动力源分为液压、气压和电动等），传动机构则通过齿轮齿条、连杆机构、涡轮蜗杆等实现手指的夹紧或者松开。 平移型抓取机构通过手指的平移来夹取平板类、方块类以及圆柱类物料。同时，在夹取不同直径圆柱棒料时不会引起中心轴线的偏移。但此类抓取机构机构复杂、精度要求更高。而回转型抓取机构的张开闭合则依靠手指枢轴支点的回转来完成。单支点回转型枢轴支点为一个，双支点回转型枢轴支点则为两个。回转型抓取机构结构相对更为简单、形状更为小巧，缺点是抓取不同工件时则会产生定位误差。 根据任务书设计要求以及机械手手部结构设计，本次机械手夹持机构为确定为夹钳式双支点回转型机械手。 3.1.1机械手夹紧力计算 加载在工件上的夹紧力对于机械手手部计算至关重要，必须对其进行受力分析和计算。夹紧力计算公式： 式（3.1） 图3-1水平夹持物体受力图 当手指水平夹持水平悬臂工件时，取夹紧力的方位系数 式（3.2） 其中，L=50mm，H=80mm 考虑到工件在移动过程中会产生惯性力、摩擦力等，影响机械的效率，故实际夹紧力： 式（3.3） 式中： ——机械效率，=0.85~0.95 取=0.9 ——安全系数，=1.2-2 取=1.5 ——工件情况系数，，机械手最高响应时间0.2s，故此 式（3.4） 3.1.2液压缸驱动力计算 图3-2 液压缸驱动结构受力图 由图可得液压缸机械手爪的受力公式： 式（3.5） 因为 式（3.6） 所以 式（3.7） 根据设计的结构可得 3.1.3液压缸主要尺寸计算 根据公式计算可得液压缸内径： 式（3.8） 带入，，得： 按JB-826-66标准，取D=30mm，d=10mm 液压缸壁厚按薄壁计算，根据 式（3.9） 为试验压力， 为许用应力，液压缸材料选用30钢，=200MPa 代入数据得， 考虑到工艺要求，取 液压缸外径及长度计算： 式（3.10） 长度 取 。 3.1.4液压缸活塞杆计算及校核 液压缸活塞杆的材料选用45钢，查询机械材料手册对活塞杆直径d进行计算： 式（3.11） 其中，计算得，则有 根据GB/T 2348-1993选定活塞杆：D=10mm。 由，可知，活塞杆强度符合设计要求。 3.1.5活塞的选用设计 活塞材料选用20钢，考虑到密封及紧固问题，将活塞设计如下图所示： 图3-3 活塞 因为选用标准密封件，故活塞开槽尺寸得以确定。 活塞的密封圈采用Y型密封圈。Y型密封圈是一种典型的唇形密封圈，因其截面呈Y形故称Y型密封圈。Y型密封圈的使用寿命远高于O型密封圈。因Y型密封圈具有可靠的密封性、较小的摩擦阻力、平稳的运动性能以及较好耐压性等优点，被广泛的应用于往复运动中。 此外，活塞杆与活塞的定位采用活塞杆的轴肩定位，采用调整垫片调节其松紧，并利用开槽圆螺母将其锁紧。因为活塞杆直径确定为，轴肩高度为1mm，对于圆螺母的选用，可采用M8圆螺母。查标准GB/T 6179-1986，可知其尺寸如下图： 图3-4 开槽圆螺母 同时，查其相配合使用的开口销，材料为Q2115或者Q235。 图3-5 开口销 3.1.6复位弹簧设计计算 图3-6 复位弹簧钢丝受力分析图 液压缸复位设计采用弹簧复位，弹簧钢丝的直径根据其强度条件来选择： 因为在一般载荷工作情况下，可以考虑第三类弹簧。根据，预估弹簧直径为3mm，选用C级弹簧丝。查表可知：，并可以计算出。 表3-1常用旋绕比C值 d/mm 弹簧丝截面为圆截面，其弹簧曲度系数计算公式如下式所示： 式（3.12） 由常用旋绕比表可知旋绕比C在，取C=6，则得出： 式（3.13） 计算出。与预估值相近，故取可知弹簧钢丝大径 计算弹簧钢丝圈数n，此时弹簧钢丝刚度为： 式（3.14） 代入数据得：。 查表可得G=82000MPa，则 式（3.15） 带入数值，得，取整数n=5 对所设计弹簧进行校核 （1） 弹簧初拉力，由公式 式（3.16） 可以求出：，符合设计要求。 （2） 极限工作应力，取，则 。 （3） 极限工作载荷计算： 式（3.17） 图3-7弹簧几何尺寸参数 查询标准GB/T 1239.6-1992，弹簧钢丝直径选定为4mm、自由高度为11mm、中径为28mm，弹簧钢丝的有效圈数为5。弹簧材料为65Mn，硬度要求达到。 3.1.7液压缸端盖、管接头选择及油管管道尺寸计算 图3-8液压缸端盖 液压缸端盖的连接方式采取法兰式连接，法兰式连接的优点是拆卸方便、强度高以及密封性好。因O型密封圈的截面尺寸小、密封性能好、摩擦系数小、可用于静密封和滑动密封等优点，适用于本次端盖密封，故端盖上的密封圈采用O型密封圈。 管接头采用扩口式管接头，管接头采用55°密封管螺纹，内外螺纹配合更具密封性。 图3-9管接头 油管管道内径由油管内油液流速及流量来确定： 式（3.18） q——通过油管流量 ——油管中油液流速 取油管内流速，根据GB/T 1047-1995可得油管管径为3mm。 3.1.8机械手腕部回转缸设计计算 回转缸采用单叶片式回转缸（也叫摆动液压缸），由定子块、左右支承盘、摆动轴、叶片、及缸体等零件组成。定子块则被固定在缸体上，当两油口通以液压油时，因为叶片和摆动轴固连在一起，所以叶片将带动摆动轴进行摆动。 单叶片式回转缸输出扭矩： 式（3.19） 式（3.20） 式中： Z——叶片数； D——叶片厚度； d——摆动轴直径； ——进口压力； ——出口压力； q——输入油量 回转缸油压选用1.6MPa，出口压力约为0.2MPa。为了便于叶片固定，初步将摆动轴直径d定为25mm。 图3-10 回转缸剖面图 叶片与摆动轴之间由定位销定位，选用内螺纹圆锥销是因为方便拆卸及维修，而底部螺纹孔则起到拔销作用。查标准GB/T 118-2000可知A型内螺纹圆锥销最为合适。 图3-11 内螺纹圆锥销 本次设计将液压伸缩缸及回转缸结合使用，回转缸的摆动轴由伸缩缸后端部构成，是为了结构更为紧凑方便操作，同时也能够集中控制液压系统。 图3-12回转缸伸缩缸组合剖视图 3.2机械手腕部设计 通过销轴机械手腕部与机械手手臂铰接，使得腕部与机械手臂能够绕着销轴相对转动。在销轴与机械手臂之间加一个耐磨青铜轴套，以保证销轴回转精度和延长其使用寿命。轴套与机械手臂采用基孔制配合，为防止轴与轴套在回转过程中因热量产生变形，选用配合。机械手腕部回转由液压伸缩缸驱动，液压伸缩缸活塞杆与固定在腕部的连杆连接。 图3-13活塞杆接头结构图 图3-13为液压缸活塞杆接头构造图，接头孔径为，与之相对的活塞杆直径也为。 图3-14液压缸双耳环支座参数 3.3机械手手臂设计 机械手手臂作俯仰运动时，可由下图运算出驱动力： 图3-15机械手手臂受力图 式（3.21） （） 式（3.22） 式（3.23） 式（3.24） 式（3.25） 式中： P——作用在活塞上的驱动力； P——液压缸工作力； D——伸缩缸内径； ——密封装置的摩擦阻力； ——非工作缸油压。 当机械手臂处于俯角时，驱动力力矩为： 当手臂处于水平位置时，，此时驱动力矩为： 当机械手手臂作俯仰运动时，其驱动力力矩需克服手臂作俯仰运动时产生的偏重力矩、惯性力矩以及各运动副之间的摩擦力矩。即： 式（3.26） 初步确定机械手手臂尺寸： 图-16机械手手臂 机械手手臂受力分析 图3-17 手臂受力分析 根据手臂在水平方向上的力平衡公式：，则有 式（3.27） 同理，竖直方向上力平衡公式：，则有 式（3.28） 在O点，所有力力矩平衡：，则有： 3.4机械手机身底座设计计算 机械手机身底座设有安装耳环，液压缸耳环与机身底座安装耳环通过销轴铰接，并用螺栓锁死。既能保证液压缸在回转和直线运动中不会发生偏转又能够满足液压缸在机身上的定位要求。机身底座设计如下图： 图3-18机械手机身底座 具体机身底座设计参数如下： 图3-19机身底座具体参数 3.5机械手回转台设计计算 回转工作台的箱体上设有光孔，并且有安装底座，因此机械手机身底座可以安放在工作台上。箱体材料选用HT200中等材料的灰铸铁，并经过时效处理。本次机械手的定位方式将行程开关以及机械挡块结合使用。机械手臂转动到一定角度时，碰到挡块并压下行程开关（设置挡块为保证回转精度）。由压力继电器发出信号，经时间继电器控制，使得机械手停顿一段时间再开始进行下一个动作（停顿时间由时间继电器设定）。 3.5.1回转台内齿轮传动设计 图3-20圆锥直齿轮 通过一对轴交角为90°的圆锥直齿轮可以将水平方向的扭矩转换为竖直方向的扭矩。因为直齿锥齿轮具有齿形简单、容易制造以及低成本等优点，故采用直齿锥齿轮。齿轮材料选用45钢，需调质处理并表面淬火，使其硬度要求达到。 为了保证传动的连续性，传动轴上齿轮的安装位置应可靠，又因为空套齿轮和固定齿轮通常用弹性档圈、轴肩、隔套和半圆环等作轴向固定。在这里采用隔套，并利用齿轮压板将齿轮进行轴向定位和紧固。 图3-21齿轮轴向定位 3.5.2回转台内传动轴设计计算 根据传动轴的设计要求得知，设计传动轴时在满足必要的强度要求外还需要有一定的刚度。为避免传动轴在疲劳载荷作用下发生损坏，需要对传动轴的强度要求进行计算。而传动轴是否会在在载荷下产生过大的弯曲变形，则需要对其进行刚度要求计算。因为回转台主传动系统精度要求不是很高，允许有少量的变形。因此，轴的强度不需要检验（载荷很大的情况除外）。而如果刚度达不到要求，传动轴会因此产生过大变形，那么轴上的零部件（齿轮、轴承等）就不能正常工作。因此，必须要对传动轴进行刚度计算，以保证其一定的在载荷下不发生变形。 选用45钢作为传动轴的材料，对其进行调质处理使其硬度达到。 传动轴的直径设计计算： 式（3.29） 式中： d——传动轴的直径 ——传动轴的许用应力 T——传动轴的额定扭矩 查表可得：，T=9550000，则计算出传动轴直径： 取安全系数，则d=27mm，将轴径圆整取其值为30mm。 传动轴应力校核： 式（3.30） 式中： ——轴截面上的工作应力； M——轴截面上的合成弯矩； T——轴截面上的转矩； ——根据转应力而定的应力校正系数 根据 式（3.31） 算出，转动轴的转应力在一定规律周期内循环，即为脉动循环应力，故取α=0.7。 查手册可得，T=9550，则 式（3.32） 传动轴刚度校核： 对于传动轴的弯曲刚度验算，主要是验算传动轴上的挠度和倾角（装有齿轮和轴承）。传动轴的挠度和倾角应小于其许用值和，即 表3-2各类传动轴的许用挠度及倾角 传动轴的类型 许用挠度 轴承类型 许用倾角 一般用途的轴 滑动轴承 0.001 刚度要求较高的轴 向心球轴承 0.005 安装齿轮的轴 圆柱滚子轴承 0.0025 由于此次设计的回转工作台回转精度要求不高、由挡块定位，且对于运动的平稳性要求不高及转速不高，所以不需要对轴进行开槽、钻孔或者切制螺纹，轴的疲劳强度也不会因此受到影响。 图3-22轴剖视图 由于回转工作台回转时所需的扭矩较大，故采用花键传递扭矩。又考虑到需要较大的承载能力以及需要具有较好的定心性及导向性等问题，决定使用矩形花键。 矩形花键轴的平均直径： 式（3.33） 当量直径： 式（3.34） 惯性矩： 式（3.35） 花键的校核： 侧面工作表面被压溃是花键的主要失效形式，其连接强度的计算公式为： 式（3.36） 滚动轴承设计计算 （1） 滚动轴承的寿命计算： 寿命计算如下式： 式（3.37） 式中： L——滚动轴承的额定寿命； C——滚动轴承的额定动载荷； P——滚动轴承的当量负载荷； ——滚动轴承的寿命指数。对于球轴承：，对于滚子轴承：。 由于在实际计算中用小时数表示轴承的额定寿命更为方便，故可将上式变换为： 式（3.38） 式中： ——滚动轴承的额定寿命； ——滚动轴承的计算转速； 滚动轴承的当量动载荷计算公式为： 式（3.39） 式中： ——滚动轴承的径向负荷； ——滚动轴承的轴向负荷； X——滚动轴承的径向系数； Y——滚动轴承的轴向系数。 （2） 滚动轴承的挑选 根据轴承额定静负载的基本公式来挑选轴承，其计算公式为： 式（3.40） 式中： ——轴承的当量静载荷； ——轴承的额定静负荷； ——安全系数。 式（3.41） 联立以上两式，取最大值。 步进电动机的选择： 一般来说，电动机的选择分三个步骤 1、 电动机的类型和结构； 2、 电动机的容量； 3、 电动机的转速。 计算步进电机的负载转矩 式（3.42） 式中： ——步进电机的脉冲当量； ——步进电机的进给牵引力； ——步进电机的步距角，初选； ——传动效率。 根据机械传动效率表，齿轮、轴承和丝杠效率分别选择为0.98、0.99、0.94。代入数据可得： 步进电机的启动转矩计算： 最大静转矩计算： 电机运行频率和最高启动频率： 式（3.43） 式（3.44） 式中： ——最大切削进给速度； ——最大快移速度； ——脉冲当量。 计算出， 查得110BF004型步进电机最大静转矩为远大于最大静转矩，所以能够满足最大静转矩要求。考虑到会需要更大切削用量的问题，决定选用更大转矩的130BF001型步进电机。经查验，130BF001型步进电机的最高空载起动频率和运行频率均满足要求。 步进电机转矩校核 电机轴上总的转动惯量计算： 式（3.45） 式中： ——步进电机转子转动惯量； G——工作台及工件等移动部件重量； ——齿轮的转动惯量。 130BF001式步进电机的转子转动惯量为： 转动惯量的计算： 式（3.46） 将钢材的材料密度代入上式得： 式中： ——圆柱体质量； D——圆柱体直径； L——圆柱体长度。 由此计算出： 将其带入式（1）得： 式（3.47） 由此计算出： 因为传动系统与步进电机会产生惯性匹配的问题，对其进行对比计算： 由上式可知，满足惯性匹配要求。 4 液压驱动控制系统设计 4.1液压驱动系统设计 此次设计的液压驱动系统包括调压回路、调速回路、保压回路、换向回路以及缓冲回路五个回路，液压系统图如下所示 图4-1液压系统原理图 4.1.1调压回路 为减少液压系统中的动力消耗和发热等问题，一般液压系统的系统压力与工作负载息息相关。采用双联定量泵为其系统进行供油，液压系统最高工作压力的调定或限制由溢流阀来决定。当系统正常工作时，溢流阀常闭，液压系统的系统压力取决于外载荷；当系统压力值升高达到溢流阀调定压力值时，溢流阀溢流，此时系统压力为溢流阀的调定值。 图4-2调压回路 4.1.2调速回路 机械手作俯仰动作时采用的是双联同步液压缸，需要保持两液压缸以相同的位移及速度。同步回路由分流阀控制，使得进入液压缸的油液流量相等以此达到同步缸同步。此时，溢流阀更多是用于维持系统压力，使其保持恒定。在调速回路中，正常工作时溢流阀为常开，溢出多余油液以维持系统压力的平衡。 图4-3调速回路 4.1.3保压回路 此次设计中，保压回路采用高压小泵和低压大泵复合使用。当回路中压力较低时，高压小泵和低压大泵同时供油；当压力逐步提升至卸荷阀调定压力值时，小泵供油维持溢流阀调定压力值，大泵卸荷不工作。液压系统在保压时液压缸微量移动，只有小泵供油，系统能耗较低。 图4-4保压回路 4.1.4换向回路 换向回路主要由换向阀控制，换向阀选用三位四通换向阀，其机能为O型。当阀芯处于中位时各油路封闭不卸荷、液压缸封闭并锁紧。 图4-5三位四通换向阀 当机械手臂转动到一定角度时，手臂碰到挡块停留一段时间。这时候，液压缸活塞杆不移动但仍保持一定压力，以维持机械手工作压力。此时换向阀处于中位机能，使得各油路封闭，通过重力加压使整个回路变为差动回路，为下一步油缸运动加速。 4.1.5缓冲回路 缓冲回路用蓄能器以减少冲击，当回路压力迅速提升时，蓄能器能够吸收系统流量脉动，使得脉动降低到很小的程度，实现缓冲。当液压系统所需流量较小时，蓄能器能够将多余的流量储存起来；当液压系统短时间所需流量较大时，蓄能器能够将储存的压力油释放出来。此外，当驱动泵发生故障时，蓄能器还能作为应急能源对液压系统进行紧急供油。 图4-6缓冲回路 4.2液压控制系统设计 控制系统采用内在反馈开环控制系统，内在反馈系统内部各参数之间互相联系，对动态性能有很大的影响，且不容易控制。系统在运动状态下，同样有着信息的传输与交换。因此系统需要通过反馈校正来调整系统的性能。当控制系统的一些参数，比如说压力等，随着工作条件改变而发生大幅度改变时，控制系统能够得到适时的反馈，从而消除参数波动等对系统的影响。但是开环系统虽然系统简单，但精度不是很高。 图4-7反馈校正框图 4.3液压泵以及液压元件的选择 为了在机械手工作过程中减少机械手爪对工件的夹放以及手臂的回转速度变化较大时引起的系统能耗过大问题，采用双联叶片泵进行供油。双联叶片泵由一个小流量泵和一个大流量泵组成。当需要快速进给时,两个流量泵同时供油，此时系统压力比较低；当系统工进时,由小流量泵供油，此时系统压力较高。通过调定溢流阀的调定压力值来控制两泵。选用YB-6/40型双联叶片泵，该叶片泵的系统压力为1.6~2.5MPa，电机功率为5.5kw，同步转速为1500r/min。 油箱容量选为25L，并装有滤油器。装滤油器的主要目的是滤去较大的杂质，使进入液压系统的油液保持一定的清洁度。因为液压系统中的系统压力为1.6~2.5MPa，故选取普通的网式滤油器就足够，安装在液压泵的吸油口，此时吸油口应放置于油箱液面以下。 液压系统原件选定： 溢流阀：Y6-60； 单向阀：Y10B； 调速阀：Q63B； 节流阀：L-25B； 换向阀：34E-63B 。 驱动缸的选择计算： 驱动缸内径即为回转缸内径，缸筒内径计算公式： 式（4.1） 代入数据得 活塞杆直径d=0.45D=0.4540=18mm。 按标准JB2183-77，选D=40mm，d=20mm。 按标准GB1068-67得驱动缸外径，行程S为650mm。 驱动缸壁厚校核： 由于，驱动缸壁厚按薄壁计算： 式（4.2） 代入数值得：。 显然，，故，驱动缸壁厚安全。 5 机械手三维建模及运动仿真 5.1机械手三维建模处理 工业机械手采用Pro/E三维建模软件对本次设计零部件进行初步建模。由设计内容可知，此次建模构件主要有机械手手指、机械手手腕、机械手手臂、液压缸、回转工作台以及其他紧固零件。 5.1.1机械手手部零件建模 机械手手部零件建模过程如下： （1） 选择基准平面，草绘绘制手指指型端面，利用拉伸工具对草绘图形进行拉伸； （2） 利用拉伸工具，对机械手手指端部分别进行拉伸去除材料； （3） 利用孔工具，对手指零件绘制所有的孔； （4） 建模完毕。 图5-1 机械手手指建模 5.1.2机械手液压缸建模 机械手液压缸建模过程如下： （1） 选择基准平面，草绘液压缸草绘图形，运用拉伸工具，拉伸出液压缸设计外形； （2） 利用拉伸工具，对初步拉伸出的液压缸进行修改，去除不必要材料； （3） 利用拉伸工具，拉伸出液压缸安装耳环； （4） 利用孔工具，绘制液压缸安装孔； （5） 根据以上步骤分别完成另外两个液压缸零件建模。 图5-2 液压缸建模 5.1.3机械手手臂建模 机械手手臂建模过程如下： （1） 选择基准平面，绘制出手臂草图，利用拉伸工具拉伸机械手手臂轮廓； （2） 利用拉伸工具，去除多余材料； （3） 利用孔工具，绘制手臂上设计好的通孔。 图5-3机械手手臂建模 5.1.4机械手手腕建模 机械手手腕建模过程如下： （1） 选择基准平面，绘制机械手手腕草图，点击拉伸工具； （2） 根据草图，选择拉伸长度128mm，完成拉伸； （3） 利用孔工具，绘制出所有的孔。 图5-4 机械手手腕建模 5.1.5机械手回转工作台建模 回转工作台建模过程如下： （1） 利用旋转工具，绘制旋转中心线，草绘回转图形； （2） 对草绘图形绕中心线旋转，回住处回转工作台； （3） 利用拉伸工具，绘制出底座安装耳环； （4） 利用孔工具，绘制出所有设计孔。 图5-5 机械手回转台建模 机械手各零件建模完成后，依次进行零件装配，机械手装配效果图如下： 图5-6 机械手装配效果图 5.2机械手ADAMS运动仿真 在未真正生产出真实的产品以前就进行仿真模拟，提前知道产品的各种性能，防止各种设计缺陷的存在,提出改进意见，优化设计。运动学仿真在机械手模型装配完成之后，不考虑摩擦以及力的施加。只在模型中添加必要的运动副，对其施加动力，使之能够进行动作模拟并得到运动分析。 5.2.1ADAMS模型导入 由于Pro/E与ADAMS软件存在接口问题，所以需要对其格式进行转换。将机械手模型转入ADAMS中时因为两者存在图形格式转换时带来图形缺失的问题，需要确认导入模型是否存在零件显示缺失，确认后返回到Pro/E中重新进行修改完善。将Pro/E中建立好的三维模型另存为格式，导入ADAMS中，外观选择Shaded。 图5-7 ADAMS模型导入及外观选择 图为ADAMS导入零件模型： 图5-8 ADAMS导入模型 5.2.2机械手约束添加 对导入ADAMS中的模型进行约束添加，因为模型简单的原因，添加的约束多为固定约束和旋转约束以及几个圆柱约束。 图5-9 固定约束添加 依次添加固定约束和旋转约束，并对其进行简单仿真以便方便查验。 图5-10 模型约束添加 5.2.3 ADAMS运动仿真 机械模型创建完成后，设置模型中想要的移动和旋转速度。设置好参数后，选择工具箱中的Simulation按钮，窗口中显示出仿真按钮及其选项。设置仿真时间为4s，工作步为1000。 图5-11 仿真按钮及选项 鼠标左击开始按钮，ADAMS开始进行仿真。 根据仿真模型运动情况，观察是否存在错误。仿真完成后，观察有关变量的变化曲线。 图5-12 机械手手爪标记点X轴运动曲线 图5-13 机械手手爪标记点Y轴运动曲线 结论 随着现代社会的迅速发展，人类追求生产效率的提高，工业机器人的设计开发影响着工业产业的产业升级。工业机械手作为机器人重要的一部分，关系到机器人的设计发展。本次的毕业设计对工业机械手的手部、腕部、手臂以及机身底座都作了系统化的设计计算，考虑到各种驱动的优缺点，采用液压传动。此外，在结构设计上，综合考虑了机械手的结构实用性、强度、刚度等因素，并进行了校核。 当然，初次进行产品设计，基于经验的积累及只是水平的局限，设计难免显得稚嫩、粗糙，还望老师见谅并予以指正。 致谢 参考文献 [1]穆亚飞.浅谈机械手在机械工业中的应用[J].工程管理与科学技术，2011，（1）：128. [2]韩梦丹，邹晓宇.浅谈机械手及其应用与发展前景[J].企业技术开发，2012，31（2）：79-80. [3]张福学.机器人技术及其应用[M].北京：北京电子工业出版社.2000，18-19. [4]李建.多自由度机器人的设计与研究：[中国科学技术大学硕士学位论文].合肥：中国科学技术大学精密机械与精密仪器系，2009,8-9. [5]雷勇涛，李大明.机械手机械手运动稳定性分析[J].茂名学院学报，2006,2（1）：12-16. [6]刘会英，杨志强，张明勤等.机械原理[M].北京：中机出版社.2007，207-224. [7]郭柏林，胡正义.基于ADAMS的搬运机械手轨迹规划与仿真[J].湖北工业大学学报，2007.22（4）：37-39. [8]刘涛，杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京：清华大学出版社，2002:14-17. [9]吴小锋.林业修剪机器人运动学、动力学仿真[D].南京：南京林业大学机械电子工程学院，2007，26-27. [10]崔吉等.一种六自由度机械手的运动学分析[J].机械设计与研究，2009,36（11）：16-19. [11]Week M，Staimer D.Paraller kinematic machine tools-current state and future potentials.Annals of the CIRP,2002,51(2):671-1326. [12]蒋永彪.CAD技术的应用与发展趋势探析[J].中小企业管理与科技.2012,(19):282-283. [13]Denavit J,Hartenberg R S.A Kinematic Notation for Lower-Pair Mechanisms Based on Matrices[J].Journal of Applied Mechanics,2007,21:215-221. [14]刘国栋.我国的机器人研究和发展.江南学院学报[J].2001,16(4):28-35. [15]王茂兵，郑小存.注塑机械手的研究及应用[J].中国制笔，2007，（01）：71-73. [16]王炎欢，陈阿三，刘鑫茂.直角坐标系机器人控制系统的研究[J].轻工机械，2010,28（4）.67-69. [17]KUKA公司.世界上最大的工业机器人[J]机械工程师，2008,7:11-12.