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1、 数控机机床上下下料机械械手设计计摘 要:通通过对机机械设计计、制造造及其自自动化专专业课程程的学习习，对工业机械械手各部部分机械械结构和和功能的的论述和和分析，以以及实际际操作中中的应用用情况，设设计了一一种圆柱柱坐标形形式的数数控机床床上下料料机械手手。重点点针对机机械手的的手爪、手手腕、手手臂、腰腰座等各各部分机机械结构构以及机机械手控控制系统统（传动动系统、驱驱动系统统）进行行了详细细的设计计。同时时对其控控制系统统和液压压系统进进行了理理论分析析和设计计计算。基基于PLLC对机机械手的的控制系系统进行行了深入入细致的的设计，通通过对机机械手作作业的工工艺过程程和控制制要求的的分析，设
2、设计了控控制系统统的硬件件电路，同同时编制制了机械械手的控控制程序序。设计计达到了了预期目目标。 关关键词：机械手手；PLLC；液液压伺服服定位；电液系系统 目目 录第1章 前言. 11.1选题背背景. 11.2设计目目的. 11.3发展现状状和趋势势. 11第2章 机械手手各部件件的设计计. 332.1机机械手的的总体设设计. 32.1.1机机械手总总体结构构的类型型. 332.1.2具具体设计计方案. 42.2机机械手手手爪结构构的设计计. 442.2.1设设计要求求. 442.2.2驱驱动方式式. 552.2.3典典型结构构. 552.2.4具具体设计计方案. 62.3机机械手手手腕结构
3、构的设计计. 772.3.1手手腕结构构的设计计要求. 72.3.2具具体设计计方案. 72.4机机械手手手臂构的的设计. 82.4.1手手臂结构构的设计计要求. 82.4.2具具体设计计方案. 82.5机机械手腰腰座结构构的设计计. 992.5.1腰腰座结构构的设计计要求. 92.5.2具具体设计计方案. 92.6机机械手的的机械传传动机构构的设计计. 1102.6.1传传动机构构设计应应注意的的问题. 1002.6.2常常用的传传动机构构形式. 1002.6.3具具体设计计方案. 1112.7机机械手驱驱动系统统的设计计. 1122.7.1常常用驱动动系统及及其特点点. 1122.7.2具
4、具体设计计方案. 1222.8机机械手手手臂的平平衡机构构设计. 1222.8.1平平衡机构构的形式式. 1122.8.2具具体设计计方案. 133第3章 理论分分析和设设计计算算. 1143.1电电机选型型有关参参数计算算. 1143.1.1有有关参数数的计算算. 1143.1.2电电机型号号的选择择. 1163.2液液压传动动系统设设计计算算. 1183.2.1 确定液液压系统统基本方方案. 183.2.2 拟定液液压执行行元件运运动控制制回路. 1993.2.3液液压源系系统的设设计. 193.2.4绘绘制液压压系统图图. 2203.2.5确确定液压压系统的的主要参参数. 213.2.6
5、计计算和选选择液压压元件. 266第4章 机械手手控制系系统的设设计. 284.1系系统硬件件设计. 2884.1.1 操作面面板布置置. 2284.1.2 工艺过过程与控控制要求求. 2284.1.3 作业流流程. 294.1.4 控制器器的选型型. 3304.1.5 控制系系统原理理分析. 3114.1.6 PLCC外部接接线设计计. 3314.1.7 I/OO地址分分配. 324.2系系统软件件设计. 3334.2.1控控制主程程序流程程图. 334.2.2控控制程序序设计. 344结论. 51致谢.552参考文献献. 553第一章章 前言言1.1选选题背景景由于工业业自动化化的全面面发
6、展和和科学技术术的不断断提高，对对工作效效率的提提高迫在在眉睫。单单纯的手手工劳作作以满足足不了工工业自动动化的要要求，因因此，必必须利用用先进设设备生产产自动化化机械以以取代人人的劳动动，满足足工业自自动化的的需求。其其中机械械手是其其发展过过程中的的重要产产物之一一，它不不仅提高高了劳动动生产的的效率，还还能代替替人类完完成高强强度、危危险、重重复枯燥燥的工作作，减轻轻人类劳劳动强度度，可以以说是一一举两得得。在机机械行业业中，机机械手越越来越广广泛的得得到应用用，它可可用于零零部件的的组装，加加工工件件的搬运运、装卸卸，特别别是在自自动化数数控机床床、组合合机床上上使用更更为普遍遍。目前
7、前，机械械手已发发展成为为柔性制制造系统统FMSS和柔性性制造单单元FMMC中一一个重要要组成部部分。把把机床设设备和机机械手共共同构成成一个柔柔性加工工系统或或柔性制制造单元元，可以以节省庞庞大的工工件输送送装置，结结构紧凑凑，而且且适应性性很强。但但目前我我国的工工业机械械手技术术及其工工程应用用的水平平和国外外比还有有一定的的距离，应应用规模模和产业业化水平平低，机机械手的的研究和和开发直直接影响响到我国国机械行行业自动动化生产产水平的的提高，从从经济上、技技术上考考虑都是是十分必必要的。因因此，进进行机械械手的研研究设计计具有重重要意义义。1.2设设计目的的目前，我我国大多多数工厂厂的
8、生产产线上数数控机床床装卸工工件仍由由人工完完成，其其劳动强强度大、生生产效率率低，而而且具有有一定的的危险性性，已经经满足不不了生产产自动化化的发展展趋势。为为了提高高工作效效率,降降低成本本,并使使生产线线发展成成为柔性性制造系系统,适适应现代代机械行行业自动动化生产产的要求求,针对对具体生生产工艺艺,结合合机床的的实际结结构，利利用机械械手技术术，设计计用一台台上下料料机械手手代替人人工工作作，以提提高劳动动生产率率。本机机械手主主要与数数控机床床组合最最终形成成生产线线，实现现加工过过程的自自动化和和无人化化。1.3发发展现状状和趋势势 目前，国国内外各各种机械械手和机机械手的的研究成
9、成为科研研的热点点，其研研究的现现状和大大体趋势势如下：一机械械结构向向模块化化、可重重构化发发展。二工业业机械手手控制系系统向基基于PCC机的开开放型控控制器方方向发展展，便于于标准化化、网络络化；器器件集成成度提高高，结构构小巧，且且采用模模块化结结构；大大大提高高了系统统的可靠靠性、易易操作性性，而且且维修方方便。三机械械手中的的传感器器作用日日益重要要，除采采用传统统的位置置、速度度、加速速度等传传感器外外，还引引进了视视觉、听听觉、接接触觉传传感器，使使其向智智能化方方向发展展。四关节节式、侧侧喷式、顶顶喷式、龙龙门式喷喷涂机械械手产品品标准化化、通用用化、模模块化、系系列化设设计；
10、柔柔性仿形形喷涂机机械手开开发，柔柔性仿形形复合机机构开发发，仿形形伺服轴轴轨迹规规划研究究，控制制系统开开发； 五焊接接、搬运运、装配配、切割割等作业业的工业业机械手手产品的的标准化化、通用用化、模模块化、系系列化研研究；以以及离线线示教编编程和系系统动态态仿真。 总的来来说，大大体是两两个方向向：其一一是机械械手的智智能化，多多传感器器、多控控制器，先先进的控控制算法法，复杂杂的机电电控制系系统；其其二是与与生产加加工相联联系，性性价比高高，在满满足工作作要求的的基础上上，追求求系统的的经济、简简洁、可可靠，大大量采用用工业控控制器，市市场化、模模块化的的元件。第二章机机械手各各部件的的设
11、计2.1机机械手的的总体设设计2.1.1机械械手总体体结构的的类型工业机械械手的结结构形式式主要有有四种：直角坐坐标结构构，圆柱柱坐标结结构，球球坐标结结构和关关节型结结构。各各结构形形式及其其相应的的特点，分分别介绍绍如下：1.直角角坐标机机械手结结构特点点直角坐标标机械手手的空间间运动是是用三个个相互垂垂直的直直线运动动来实现现的，如如图2-1.aa。由于于直线运运动易于于实现全全闭环的的位置控控制，因因此，其其运动位位置精度度高，但但此种类类型机械械手的运运动空间间相对较较小，如如要达到到较大运运动空间间，则要要求机械械手的尺尺寸足够够大。直直角坐标标机械手手的工作作空间为为一空间间长方
12、体体，主要要用于装装配作业业及搬运运作业。直直角坐标标机械手手有悬臂臂式，龙龙门式，天天车式三三种结构构。2.圆柱柱坐标机机械手结结构特点点圆柱坐标标机械手手的空间间运动是是用一个个回转运运动及两两个直线线运动来来实现的的，如图图2-11.b。其其工作空空间是一一个圆柱柱状的空空间。这这种机械械手构造造比较简简单，精精度相对对较高，常常用于搬搬运作业业。3.球坐坐标机械械手结构构特点球坐标机机械手的的空间运运动是由由两个回回转运动动和一个个直线运运动来实实现的，如如图2-1.cc。其工工作空间间是一个个类球形形的空间间。这种种机械手手结构简简单、成成本较低低，但精精度不很很高，主主要应用用于搬
13、运运作业。4.关节节型机械械手结构构特点关节型机机械手的的空间运运动是由由三个回回转运动动实现的的，如图图2-11.d。相相对机械械手本体体尺寸，其其工作空空间比较较大，动动作灵活活，结构构紧凑，占占地面积积小。此此种机械械手在工工业中应应用十分分广泛，如如焊接、喷喷漆、搬搬运、装装配等作作业。关关节型机机械手又又分为水水平关节节型和垂垂直关节节型两种种。2.1.2具体体采用方方案如图2-2所示示机械手手模拟工工作布局局图，根根据实际际操作的的需要，该该机械手手在工作作中需要要3种运运动,其其中手臂臂的伸缩缩和立柱柱升降为为直线运运动,另另一个为为手臂的的回转运运动,因因此其自自由度数数目为3
14、3，综合合考虑，应应选择圆圆柱坐标标机械手手结构，其其结构简简单，工工作范围围相对较较大，且且有较高高的精度度，满足足设计要要求。2.2机机械手手手爪结构构设计2.2.1设计计要求手爪是用用来进行行操作及及作业的的装置，其其种类很很多，根根据操作作及作业业方式的的不同，分分为搬运运用、加加工用、测测量用等等。搬运运用手爪爪是指各各种夹持持装置，用用来抓取取或吸附附被搬运运的物体体；加工工用手爪爪是带有有喷枪、焊焊枪、砂砂轮、铣铣刀等加加工工具具的机械械手附加加装置，用用来进行行相应的的加工作作业；测测量用手手爪是装装有测量量头或传传感器的的附加装装置，用用来进行行测量及及检验作作业。机械手手手
15、爪设计计有如下下要求：、机械械手手爪爪是根据据机械手手作业要要求来设设计的。既既根据其其应用场场合设计计手爪，在在满足作作业要求求的前提提下，机机械手手手爪还要要求体积积小、重重量轻、结结构紧凑凑。、机械械手手爪爪的万能能性与专专用性是是矛盾的的。万能能手爪在在结构上上很复杂杂，甚至至很难实实现，从从工业实实际应用用出发，应应着重开开发各种种专用的的、高效效率的机机械手手手爪，加加之以快快速更换换装置，以以实现机机械手的的多种作作业功能能，而不不主张用用一个万万能的手手爪去完完成多种种作业，以以考虑设设计的经经济效益益。、机械械手手爪爪的通用用性。通通用性是是指有限限的手爪爪，可适适用于不不同
16、的机机械手，这这就要求求末端执执行器要要有标准准的机械械接口（如如法兰），使使末端执执行器实实现标准准化。、机械械手手爪爪要便于于安装和和维修，易易于实现现计算机机控制。2.2.2驱动动方式一般工业业机械手手手爪，多多为双指指手爪。按按手指的的运动方方式，可可分为回回转型和和移动型型；按夹夹持方式式来分，有有外夹式式和内撑撑式两种种。机械手夹夹持器（手手爪）的的驱动方方式主要要有三种种：1.气动动驱动方方式这种驱动动系统是是用电磁磁阀来控控制手爪爪的运动动方向，用用气流调调节阀来来调节其其运动速速度。由由于气动动驱动系系统价格格较低，所所以气动动夹持器器在工业业中应用用较为普普遍。另另外，由由
17、于气体体的可压压缩性，使使气动手手爪的抓抓取运动动具有一一定的柔柔顺性，这这一点是是抓取动动作十分分需要的的。2.电动动驱动方方式电动驱动动手爪应应用也较较为广泛泛。这种种手爪，一一般采用用直流伺伺服电机机或步进进电机，并并需要减减速器以以获得足足够大的的驱动力力和力矩矩。电动动驱动方方式可实实现手爪爪的力与与位置控控制。但但是，这这种驱动动方式不不能用于于有防爆爆要求的的条件下下，因为为电机有有可能产产生火花花和发热热。3.液压压驱动方方式液压驱动动方式是是利用液液压系统统进行控控制，传传动刚度度大，可可实现连连续位置置控制。2.2.3典型型结构机械手手手爪的典典型结构构有以下下五种：1.楔
18、块块杠杆式式手爪利用楔块块与杠杆杆来实现现手爪的的松、开开，来实实现抓取取工件。2.滑槽槽式手爪爪当活塞向向前运动动时，滑滑槽通过过销子推推动手爪爪合并，产产生夹紧紧动作和和夹紧力力，当活活塞向后后运动时时，手爪爪松开。这这种手爪爪开合行行程较大大，适应应抓取大大小不同同的物体体。3.连杆杆杠杆式式手爪在活塞的的推力下下，连杆杆和杠杆杆使手爪爪产生夹夹紧（放放松）运运动，由由于杠杆杆的力放放大作用用，这种种手爪有有可能产产生较大大的夹紧紧力。通通常与弹弹簧联合合使用。4.齿轮轮齿条式式手爪通过活塞塞推动齿齿条，齿齿条带动动齿轮旋旋转，产产生手爪爪的夹紧紧与松开开动作。5.平行行杠杆式式手爪采用
19、平行行四边形形机构，因因此不需需要导轨轨就可以以保证手手爪的两两手指保保持平行行运动，且且比带有有导轨的的平行移移动手爪爪的摩擦擦力要小小得多。2.2.4具体体设计方方案结合具体体的工作作情况，本本设计采采用连杆杆杠杆式式的手爪爪。驱动动活塞往往复移动动，通过过活塞杆杆端部齿齿条，中中间齿条条及扇形形齿条使使手指张张开或闭闭合。手手指的最最小开度度由加工工工件的的直径来来调定。本本设计按按照工件件的直径径为500mm来来设计。手手爪的具具体结构构形式如如图2-3所示示：2.3机机械手手手腕结构构的设计计机械手手手腕是机机械手操操作机的的最末端端，与手手爪相连连接，它它与机械械手手臂臂配合，使使
20、手爪在在空间运运动，完完成所需需要的作作业动作作。2.3.1 手手腕结构构的设计计要求、由于于手腕安安装在机机械手末末端，因因此要求求手腕设设计应尽尽量小巧巧轻盈，结结构紧凑凑。、根据据作业需需要，设设计机械械手手腕腕的自由由度。一一般情况况下，自自由度数数目愈多多，腕部部的灵活活性愈高高，对对对作业的的适应能能力也愈愈强。但但自由度度的增加加，必然然使腕部部结构更更复杂，控控制更困困难，成成本也会会相应增增加。因因此，手手腕的自自由度数数，应根根据实际际作业要要求来确确定。、为实实现腕部部的通用用性，要要求有标标准的连连接法兰兰，以便便于和不不同的机机械手手手爪进行行连接。、为保保证工作作时
21、力的的传递和和运动的的连贯，腕腕部结构构要有足足够的强强度和刚刚度。、要设设有可靠靠的传动动间隙调调整机构构，以减减小空回回间隙，提提高传动动精度。、手腕腕各关节节轴转动动要有限限位开关关，并设设置硬限限位，以以防止超超限造成成机械损损坏。2.3.2具体体设计方方案通过对数数控机床床上下料料作业的的具体分分析，考考虑数控控机床加加工的具具体形式式及对机机械手上上下料作作业时的的具体要要求，在在满足系系统工艺艺要求的的前提下下提高安安全和可可靠性，为为使机械械手的结结构尽量量简单，降降低控制制的难度度，本设设计手腕腕不增加加自由度度，实践践证明这这是完全全能满足足作业要要求的，33个自由由度来实
22、实现机床床的上下下料完全全足够。具具体的手手腕（手手臂手爪爪联结梁梁）结构构见图22-4。2.4机机械手手手臂结构构的设计计2.4.1手臂臂结构的的设计要要求机械手的的手臂在在工作时时，要承承受一定定的载荷荷，且其其运动本本身具有有一定的的速度，因因此，机机械手手手臂的设设计需要要遵循以以下设计计要求：、工作作空间的的形状和和大小与与机械手手手臂的的长度，手手臂关节节的转动动范围有有密切的的关系，因因此手臂臂尺寸设设计应合合理，一一般满足足其工作作空间即即可。、为了了提高机机械手的的运动速速度与控控制精度度，应在在保证机机械手手手臂有足足够强度度和刚度度的条件件下，尽尽可能在在结构上上、材料料
23、上设法法减轻手手臂的重重量。、应尽尽可能使使机械手手手臂各各关节轴轴相互平平行；相相互垂直直的轴应应尽可能能相交于于一点，这这样可以以使机械械手运动动学正逆逆运算简简化，有有利于机机械手的的控制。、机械械手各关关节的轴轴承间隙隙要尽可可能小，以以减小机机械间隙隙所造成成的运动动误差。、为提提高机械械手手臂臂运动的的响应速速度、减减小电机机负载，机机械手的的手臂相相对其关关节回转转轴应尽尽可能在在重量上上平衡。2.4.2具体体设计方方案由于机械械手手臂臂运动为为直线运运动，且且考虑到到搬运工工件的重重量较大大（质量量达300KG），以以及机械械手的动动态性能能及运动动的稳定定性，安安全性和和较高
24、的的刚度要要求，因因此选择择液压驱驱动方式式。通过过液压缸缸的直接接驱动，液液压缸既既是驱动动元件，又又是执行行运动件件，因此此不用再再额外设设计执行行件；而而且液压压缸实现现直线运运动，控控制简单单，易于于实现计计算机的的控制。由于液压压系统能能提供很很大的驱驱动力，因因此驱动动力和结结构的强强度都较较容易实实现，其其关键在在于机械械手运动动的稳定定性和刚刚度的设设计。因因此手臂臂液压缸缸的设计计原则是是液压缸缸的直径径取得大大一点（在在整体结结构允许许的情况况下），再再进行强强度的较较核。同时，因因为控制制和具体体工作的的要求，机机械手的的手臂的的结构不不能太大大，若仅仅仅通过过增大液液压
25、缸的的直径来来增大刚刚度，是是不能满满足系统统刚度要要求的。因因此，在在设计时时另外增增设了导导杆机构构，小臂臂增设了了两个导导杆，与与活塞杆杆一起构构成等边边三角形形的截面面形式，尽尽量增加加其刚度度；大臂臂增设了了四个导导杆，成成正四边边形布置置，为减减小质量量，各个个导杆均均采用空空心结构构。通过过增设导导杆，能能显著提提高机械械手的运运动刚度度和稳定定性，比比较好的的解决了了结构、稳稳定性的的问题。2.5机机械手腰腰座结构构的设计计2.5.1腰座座结构的的设计要要求 机械械手的腰腰座，就就是机械械手的回回转基座座。它是是机械手手的第一一个回转转关节，承承受了机机械手的的全部重重量。因因
26、此在设设计机械械手腰座座结构时时，有以以下设计计要求：、由于于腰座要要承受机机械手全全部的重重量和载载荷，因因此，机机械手腰腰座的结结构要有有足够大大的强度度和刚度度，以保保证其承承载能力力，且腰腰座是机机械手的的第一个个回转关关节，它它对机械械手末端端的运动动精度影影响最大大，因此此，在设设计时要要特别注注意腰部部轴系及及传动链链的精度度与刚度度。、腰部部结构要要便于安安装、调调整。要要有可靠靠的定位位基准面面和调整整机构。且且腰座要要安装在在足够大大的基面面，以保保证机械械手在工工作时整整体安装装的稳定定性。、腰部部的回转转运动要要有相应应的驱动动装置，它它包括驱驱动器及及减速器器。驱动动
27、装置一一般都带带有速度度与位置置传感器器，以及及制动器器。、为了了减轻机机械手运运动部分分的惯量量，提高高控制精精度，要要求回转转运动部部分由比比重较小小的铝合合金材料料制成，而而不运动动的基座座是用铸铸铁或铸铸钢材料料制成。2.5.2具体体设计方方案腰座回转转的驱动动形式主主要有两两种，一一是电机机通过减减速机构构来实现现，二是是通过摆摆动液压压缸或液液压马达达来实现现。考虑虑到腰座座是机械械手的第第一个回回转关节节，对机机械手的的最终精精度影响响大，故故采用电电机驱动动来实现现腰部的的回转运运动。因因为电动动方式控控制的精精度高，结结构紧凑凑，不用用额外设设计液压压系统及及其辅助助元件。由
28、由于电机机都不能能直接驱驱动，并并考虑到到转速以以及扭矩矩的具体体要求，故故采用大大传动比比的齿轮轮传动系系统进行行减速和和扭矩的的放大。由由于齿轮轮传动存存在着齿齿侧间隙隙，影响响传动精精度，故故仅采用用一级齿齿轮传动动，采用用大的传传动比（大大于1000），同同时为了了减小传传动误差差，齿轮轮采用高高强度、高高硬度的的材料，高高精度加加工制造造。腰座座具体结结构如图图2-55所示：2.6机机械手的的机械传传动机构构设计2.6.1传动动机构设设计应注注意的问问题由于传动动部件直直接影响响着机械械手的精精度、稳稳定性和和快速响响应能力力，因此此，在设设计机械械手的传传动机构构时要注注意以下下问
29、题：、机械械手的传传动机构构要力求求结构紧紧凑，重重量轻，体体积小，以以提高机机械手的的运动速速度及控控制精度度。并在在传动链链及运动动副中采采用间隙隙调整机机构，以以减小反反向空回回所造成成的运动动误差。、尽量量减少系系统运动动部件的的静摩擦擦力，而而正摩擦擦力为尽尽可能小小的正斜斜率，以以消除爬爬行现象象，增加加系统寿寿命。、尽量量缩短传传动链，提提高传动动与支承承刚度。、选用用最佳传传动比，以以达到提提高系统统分辨率率、减少少等效到到执行元元件输出出轴上的的等效转转动惯量量，尽可可能提高高加速能能力。、适当当的阻尼尼比。阻阻尼比越越大，零零件产生生振动时时最大振振幅越小小，衰减减越快。但
30、但大的阻阻尼会使使系统误误差增大大，精度度降低。故故应采取取合适的的阻尼比比。2.6.2常用用的传动动机构形形式常用的机机械传动动机构主主要有螺螺旋传动动、齿轮轮传动、链链传动、同同步带传传动等。1.螺旋旋传动它主要是是用来将将旋转运运动变换换为直线线运动或或将直线线运动变变换为旋旋转运动动。有传传递能量量为主的的，如螺螺旋压力力机、千千斤顶等等；有以以传递运运动为主主的，如如机床工工作台的的进给丝丝杠。2.齿轮轮传动在机械手手中常用用的齿轮轮传动机机构有圆圆柱齿轮轮，圆锥锥齿轮，谐谐波齿轮轮，摆线线针轮及及蜗轮蜗蜗杆传动动等。齿轮传动动部件是是转矩、转转速和转转向的变变换器，用用于伺服服系统
31、的的齿轮减减速器是是一个力力矩变换换器。齿齿轮传动动时，齿齿轮传动动形式及及其传动动比必须须是最佳佳匹配，应应满足驱驱动部件件与负载载之间的的位移及及转矩、转转速的匹匹配要求求，其输输入电动动机为高高转速，低低转矩，而而输出则则为低转转速，高高转矩，且且系统要要有足够够的刚度度。同时时，为保保证在同同一驱动动功率时时，其加加速度响响应最大大，还要要求其转转动惯量量尽量小小。为使使系统稳稳定，不不产生传传动死区区，要尽尽量采用用齿侧间间隙小，精精度高的的齿轮，并并采用调调整齿侧侧间隙的的方法来来消除或或减小啮啮合间隙隙，从而而提高传传动精度度和系统统的稳定定性，降降低成本本。3.链传传动在机械手
32、手中链传传动多用用于腕传传动上，为为了减轻轻机械手手末端的的重量，一一般都将将腕关节节驱动电电机安装装在小臂臂后端或或大臂关关节处。由由于电机机距离被被传动的的腕关节节较远，故故采用精精密套筒筒滚子链链来传动动。4.同步步带传动动同步带传传动是综综合了普普通带传传动和链链传动优优点的一一种新型型传动。为为保证带带和带轮轮作无滑滑动的同同步传动动，在带带的工作作面及带带轮外周周上均制制有采用用承载后后无弹性性变形的的高强力力材料制制成啮合合齿，通通过齿间间啮合进进行传动动。其特特点是传传动比准准确、传传动效率率高（可可达988%）、节节能效果果好；能能吸振、噪噪声低、不不需要润润滑；传传动平稳稳
33、，能高高速传动动（可达达40mm/s）、传传动比可可达100，结构构紧凑、维维护方便便等优点点，故在在机械手手中使用用很多。2.6.3具体体设计方方案因为选用用了液压压缸作为为机械手手的手臂臂，它既既是关节节结构，又又是动力力单元，因因此不需需要中间间传动机机构，既既简化了了结构，又又提高了了精度。而而其腰座座的回转转采用步步进电动动机驱动动，而电电动机不不能作为为直接驱驱动元件件，因此此为取得得较大的的转矩，经经分析比比较，选选择圆柱柱齿轮传传动。为为了保证证比较高高的精度度，尽量量减小因因齿轮传传动造成成的误差差；同时时大大增增大扭矩矩，以较较大的降降低电机机转速，使使机械手手的运动动平稳
34、，动动态性能能好。这这里只采采用一级级齿轮传传动，采采用大的的传动比比（大于于1000），齿齿轮采用用高强度度、高硬硬度的材材料，高高精度加加工制造造。2.7机机械手驱驱动系统统设计2.7.1常用用驱动系系统及其其特点工业常用用驱动系系统，按按动力源源分为液液压、气气动和电电动三大大类。根根据需要要也可将将这三种种基本类类型组合合成复合合式的驱驱动系统统。这三三类基本本驱动系系统的主主要特点点如下。1.液压压驱动系系统具有动力力大、力力（或力力矩）与与惯量比比大、快快速响应应高、易易于实现现直接驱驱动、精精度高等等特点。适适合于在在承载能能力大，惯惯量大以以及在防防火防爆爆的环境境中工作作的机
35、械械手。2.气动动驱动系系统具有速度度快，系系统结构构简单，维维修方便便、价格格低等特特点。适适用于中中、小负负荷的机机械手中中采用。但但是因难难于实现现伺服控控制，多多用于程程序控制制的机械械手中。3.电动动驱动系系统具有使用用方便，噪噪声较低低，控制制灵活等等特点。这这类驱动动系统不不需要能能量转换换，但大大多数电电机后面面需安装装精密的的传动机机构。2.7.2具体体设计方方案在分析了了具体工工作要求求后，综综合考虑虑各个因因素，机机械手腰腰部的旋旋转运动动需要一一定的定定位控制制精度，因因此采用用步进电电动机来来实现。由由于手臂臂采用液液压缸，故故用液压压驱动。随随着机床床加工的的工件的
36、的不同，手手臂伸出出长度不不同，要要求手臂臂具有伺伺服定位位能力，故故采用电电液伺服服液压缸缸进行驱驱动。而而手爪的的张开和和夹紧通通过液压压柱塞缸缸活塞与与中间齿齿轮和扇扇形齿轮轮配合来来实现，即即手爪在在柱塞缸缸推力作作用下通通过活塞塞杆端部部齿条、中中间齿轮轮及扇形形齿轮使使手指张张开和闭闭合。2.8 机械手手手臂的的平衡机机构设计计直角坐标标型、圆圆柱坐标标型和球球坐标型型机械手手可以通通过合理理布局，优优化设计计结构，使使得手臂臂本身可可能达到到平衡。关关节机械械手手臂臂一般都都需要平平衡装置置，以减减小驱动动器的负负荷，同同时缩短短启动时时间。2.8.1平衡衡机构的的形式1.配重重
37、平衡机机构这种平衡衡装置结结构简单单，平衡衡效果好好，易于于调整，工工作可靠靠，但增增加了机机械手手手臂的惯惯量与关关节轴的的载荷。一一般在机机械手手手臂的不不平衡力力矩比较较小的情情况下采采用这种种平衡机机构。2.弹簧簧平衡机机构弹簧平衡衡机构，机机构简单单、造价价低、工工作可靠靠、平衡衡效果好好、易维维修，因因此应用用广泛。3.活塞塞推杆平平衡机构构活塞式平平衡系统统分为两两种，一一是液压压平衡系系统，二二是气动动平衡系系统。其其中液压压平衡系系统平衡衡力大，体体积小，有有一定的的阻尼作作用；而而气动平平衡系统统，具有有很好的的阻尼作作用，但但体积比比较大。活活塞式平平衡需要要配备有有专门
38、的的液压或或气动装装置，系系统复杂杂，因此此造价高高，设计计、安装装和调试试都增加加了难度度，但是是平衡效效果好。用用于配重重平衡、弹弹簧平衡衡满足不不了工作作要求的的场合。2.8.2具体体设计方方案因为本机机械手采采用圆柱柱坐标型型的结构构，而且且在手臂臂的结构构设计以以及整个个机械手手的设计计和布局局中都重重点考虑虑了机械械手手臂臂的平衡衡问题，通通过合理理布局，优优化设计计结构，使使得手臂臂本身尽尽可能达达到平衡衡。若实实际工作作中平衡衡结果不不满足，则则设置弹弹簧平衡衡机构进进行平衡衡。 第3章章 理论论分析和和设计计计算3.1电电机选型型有关参参数计算算3.1.1有关关参数的的计算1
39、.若传传动负载载作直线线运动（通通过滚珠珠丝杠）则则有具体到本本设计，因因为步进进电机是是驱动腰腰部的回回转，传传递运动动形式属属于第二二种。下下面进行行具体的的计算。 因为腰腰部回转转运动只只存在摩摩擦力矩矩，在回回转圆周周方向上上不存在在其他的的转矩，则则在回转转轴上有有；3.1.2电机机型号的的选择根据以上上计算结果果，并综综合考虑虑各方面面因素，决决定选择择北京和和利时电电机技术术有限公公司（原原北京四四通电机机公司）的的步进电电机，具具体型号号为：110BBYG5550BB-SAAKRMMA-003011 或 1110BYYG5550B-SAKKRMTT-03301 或 1110BY
40、YG5550B-BAKKRMTT-03301，该该步进电电机高转转矩，低低振动，综综合性能能很好，各各项参数数如表33-2。型号相数步距角静态电流流向电阻相电感保持转矩矩定位转矩矩空载启动动频率（半半步方式式）重量转动惯量量100BBYG5550BB-SAAKRMA-0300150.366/0.72230.710.0080.53.56.497000100BBYG5550BB-SAAKRMT-0300150.366/0.72230.710.0080.53.56.497000100BBYG5550BB-BAAKRMT-0300150.366/0.72230.710.0080.53.56.49700
41、0表322所选电电机相关关参数其中 1110BBYG5550BB-SAAKRMMA-003011型步进进电机矩矩频特性性曲线和和相关技技术参数数。如图图3-33所示驱动方式式为升频频升压 ，步距距角为00.366。同同时因为为腰部齿齿轮传动动比为11：1220，步步进电机机经过减减速后传传递到回回转轴，回回转轴实实际的步步距角将将为电机机实际步步距角的的1/1120（理理论上），虽虽然实际际上存在在着间隙隙和齿轮轮传动非非线性误误差，实实际回转转轴的最最小步距距角也仍仍然是很很小的，故故其精度度相当高高，完全全满足机机械手的的定位精精度要求求。3.2液液压传动动系统设设计计算算3.2.1确定定
42、液压系系统基本本方案液压执行行元件大大体分为为液压缸缸和液压压马达，液液压缸实实现直线线运动，液液压马达达实现回回转运动动。二者者的特点点及适用用场合见见表3-1：因为机械械手设计计为圆柱柱坐标形形式，且且具有33个自由由度，一一个为腰腰座的转转动，两两个为手手臂的移移动自由由度。同同时考虑虑机械手手的工作作环境和和载荷对对其布局局和定位位精度的的要求，以以及计算算机的控控制的因因素，腰腰部的回回转用电电机驱动动实现，机机械手的的水平手手臂和垂垂直手臂臂都采用用单活塞塞杆液压压缸，来来实现直直线往复复运动。3.2.2拟定定液压执执行元件件运动控控制回路路液压执行行元件确确定后，其其运动速速度和
43、运运动方向向的控制制是液压压回路的的核心问问题。速度控制制通过改改变液压压执行元元件输入入或输出出的流量量或者利利用密封封空间的的容积变变化来实实现。相相应的调调速方式式有节流流调速、容容积调速速以及二二者结合合的容积积节流调调速；方方向控制制是用换换向阀或或是逻辑辑控制单单元来实实现。对对于一般般中小流流量的液液压系统统，通过过换向阀阀的有机机组合来来实现所所要求的的动作。对对高压大大流量的的系统，多多采用插插装阀与与先导控控制阀的的逻辑组组合来实实现。 本设计的的速度的的控制主主要采用用节流调调速，利利用用比比较简单单的节流流阀来实实现，而而方向控控制采用用电磁换换向阀来来实现。3.2.3
44、液压压源系统统的设计计液压系统统的工作作介质完完全由液液压源来来提供，液液压源的的核心是是液压泵泵。节流流调速系系统一般般用定量量泵供油油，在无无其他辅辅助油源源的情况况下，液液压泵的的供油量量要大于于系统的的需油量量，多余余的油经经溢流阀阀流回油油箱，溢溢流阀同同时起到到控制并并稳定油油源压力力的作用用。容积积调速系系统多用用变量泵泵供油，用用安全阀阀来限定定系统的的最高压压力。油液的净净化装置置是液压压源中不不可缺的的元件。一一般泵的的入口要要装粗滤滤油器，进进入系统统的油液液根据要要求，通通过精滤滤油器再再次过滤滤。为防防止系统统中杂质质流回油油箱，可可在回油油路上设设置磁过过滤器。根根
45、据液压压设备所所处的环环境及对对温升的的要求，还还要考虑虑加热、冷冷却等措措施。 本设计计的液压压系统采采用定量量泵供油油，由溢溢流阀VV1来调调定系统统压力。为为了保证证液压油油的洁净净，避免免液压油油带入污污染物，故故在油泵泵的入口口安装粗粗过滤器器，而在在油泵的的出口安安装精过过滤器对对循环的的液压油油进行净净化。3.2.4绘制制液压系系统图 本本机械手手的液压压系统图图如图33-2所所示（详详见图纸纸第四页页），它拥有垂垂直手臂臂的上升升、下降降，水平平手臂的的前伸、后后缩，以以及执行行手爪的的夹紧、张张开三个个执行机机构。其中，泵泵由三相相交流异异步电动动机M拖拖动；系系统压力力由溢流流阀V11调定；1DTT的得失失电决定定了动力力源的投投入与摘摘除。 考虑到到手爪的的工作要要求轻缓缓抓取、迅迅速松开开，系统统采用了了节流效效果不等等的两个个单向节节流阀。当当5DTT得电时时，工作作液体经经由节流流阀V55进入柱柱塞缸，实实现手爪爪的轻缓缓抓紧；当6DDT失电电时，工工作液体体进入柱柱塞缸中中，实现现手爪迅迅速松开开。另外，由由于机械械手垂直直升降缸缸在工作作时其下下降方向向与负荷荷重力作作用方向向一致，下下降时有有使运动动速度加加快的趋趋势，为为使运动动过程的的平稳，同同时尽量量减小冲冲击、振振动，保保证系统统的安全全性，采采用V22构成的的平衡回回路相