多自由度工業(yè)機械手臂的機械結構設計-關節(jié)式四自由度含開題、SW三維仿真及12CAD圖,自由度,工業(yè),機械,手臂,結構設計,關節(jié),開題,SW,三維,仿真,12,CAD 題目 多自由工業(yè)機械手臂的機械結構 設計 學院 專業(yè) 學生姓名 學號 指導教師 職稱 XX完成時間：20XX年6月 摘 要 摘 要 隨著機械制造行業(yè)朝著自動化和智能化發(fā)展，工業(yè)機械手成為智能化工裝置的重要組成部分，以機械手為代表的高端自動化裝備得到了很好的發(fā)展，并且成為了工業(yè)機器人極其重要發(fā)展方向，多自由度機械手是這個大領域的研究對象中的重中之重。機械手替代人類做危險行為或精準行為，很大程度上拓寬了人們的活動范圍，使人們可以更好的認識世界和適應世界，從危險、繁重或無聊重復的工作中脫離出來。通過畢業(yè)選題，確定了本次的畢業(yè)設計的題目是“多自由度工業(yè)機械臂手的機械結構設計”，本文通過一系列計算和構思，最終設計了一款電機、液壓、氣壓聯(lián)合驅(qū)動的多自由度工業(yè)機械手臂，類型為關節(jié)式，主要用于物料的搬運。本文對機械手大臂、小臂、腰座、腕部等進行了設計與分析，而且完成了總體裝配圖和二維圖紙的繪制。對機械手的各零件進行力學計算來選擇合適的零件，通過計算和校核扭矩和功率等，選擇了合適的驅(qū)動元件。最后通過有限元分析對選型的結果進行了校核。 關鍵詞：四自由度；機械手；結構設計；有限元分析 - I - ABSTRACT Mechanical?Structure?Design?of?Industrial?Robot?Arm?with?Multiple? Degrees?of?Freedom AB STRACT With?machinery?manufacturing?industry?towards?automation?and?intelligent?development,?industrial?robots?become?an?important?part?of?intelligent?chemical?plant,?represented?by?manipulator?of?high-end?automation?equipment?has?been?very?good?development,?and?has?become?an?important?development?direction,?industrial?robots?is?"the?one?in?the?field?of?multi?degree?of?freedom?manipulator?research?object?in?the?list.?Manipulator?instead?of?human?to?do?dangerous?behavior?or?accurate?behavior,?to?a?large?extent,?broaden?the?scope?of?people's?activities,?so?that?people?can?better?understand?the?world?and?adapt?to?the?world,?from?dangerous,?heavy?or?boring?repetitive?work?out.?Through?the?graduation?topic?selection,?determine?the?the?graduation?design?topic?is?"more?degrees?of?freedom?the?mechanical?structural?design?of?industrial?mechanical?arm?hand",?in?this?paper,?through?a?series?of?calculation?and?design,?final?design?with?a?motor,?hydraulic?and?pneumatic?united?drive?more?degrees?of?freedom?of?industrial?mechanical?arm,?type?of?joint?type,?it?is?mainly?used?for?material?handling.?In?this?paper,?the?manipulator?arm,?arm,?waist?seat,?wrist?and?so?on?were?designed?and?analyzed,?and?completed?the?overall?assembly?drawing?and?two-dimensional?drawing.?The?mechanical?calculation?of?the?parts?of?the?manipulator?to?choose?the?appropriate?parts,?through?the?calculation?and?check?the?torque?and?power,?choose?the?appropriate?driving?components.?Finally,?the?results?of?selection?are?checked?by?finite?element?analysis. Key Words：Four?degrees?of?freedom; Manipulator; Structure?design; Finite?element?analysis - V - 目 錄 目 錄 摘 要 I ABSTRACT II 目 錄 III 第1章 緒論 5 1.1 選題背景 5 1.2 機械手研究概況 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 1.3 本次課程設計的意義和目的 3 第2章 機械手臂的設計方案 6 2.1機械手的總體設計 6 2.1.1 機械手結構類型 6 2.1.2 機械臂總體設計方案 7 2.2 機械臂腰部結構的設計 8 2.2.1 機械手腰座結構的設計要求 8 2.2.2 設計具體采用方案 8 2.3 機械手手臂的結構設計 9 2.3.1 機械手手臂的設計要求 9 2.3.2 設計具體采用方案 10 2.4 機械手腕部的結構設計 11 2.4.1 機器人手腕結構的設計要求 11 2.4.2本設計具體采用方案 11 2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 13 2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求 13 2.5.2機械臂末端執(zhí)行器的運動和驅(qū)動方式 14 2.5.3 機械臂末端執(zhí)行器的典型結構 14 2.5.4設計具體采用方案 14 2.6機械手的機械傳動機構的設計 14 2.6.1機械臂傳動機構設計應注意的問題 15 2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構形式 16 2.6.3 設計具體采用方案 16 2.7機械手的驅(qū)動機構的設計 17 2.7.1機械臂傳動機構設計應注意的問題 17 2.7.2工業(yè)機器人常用的傳動機構形式 17 2.7.3工業(yè)機器人常用的傳動機構形式 18 第3章 理論分析和設計計算 19 3.1液壓傳動系統(tǒng)設計計算 19 3.1.1確定液壓系統(tǒng)基本方案 19 3.1.2確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 20 3.1.3計算和選擇液壓元件 22 3.2 電機選型有關參數(shù)計算 23 3.2.1有關參數(shù)的計算 23 3.2.2電機型號的選擇 24 第4章 機械手的關鍵零部件有限元分析 26 4.1 有限元步驟及使用方法 26 4.2 機器人主要零部件有限元分析 28 4.2.1 軸的的有限元分析 28 4.2.2 圓錐齒輪的有限元分析 30 4.3 本章小結 33 第5章 總結與展望 34 5.1總結 34 5.2展望 34 5.3機械手的經(jīng)濟性分析 34 參考文獻 36 致 謝 38 - III - XXX - I - 第1章 緒論 1.1 選題背景 機械臂是模仿人手和臂動作以完成規(guī)定作業(yè)的自動化操作裝置，自從2013德國提出“工業(yè)4.0”的概念和中國印發(fā)“制造2025”戰(zhàn)略計劃以來中德合作進入新時代，兩國在工業(yè)制造方面的對接越來越頻繁，以機械手為代表的高端自動化裝備得到了很好的發(fā)展，并且成為了工業(yè)機器人極其重要發(fā)展方向。 工業(yè)機械手大都是機電一體化的產(chǎn)品，多自由度機械手是機械手這個大領域的研究對象中的重中之重。機械手的研究領域很多，包攬了機械領域、電子領域、信息理論、人工智能領域、生物領域、以及計算機科學領域，它是這些理論的結合，這些領域與機械手相符相承，早期這些領域的發(fā)展促進了機械手這門科學的發(fā)展對機械手的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件，后來機械手的發(fā)展同樣促進了這些領域的發(fā)展。我們?yōu)槭裁匆芯繖C械手，我們研究機械手的目的是什么，在時間的長河中，我們一直不斷地探索，不斷地去發(fā)現(xiàn)與研究。我們希望發(fā)展機械手，因為當人們處于危險的工作時，或者要求極其準確的工作方式時，機械手可以上陣來替代人類需要做的危險行為，或者精準行為。在這個時候機械手很大程度上拓寬了人們的活動范圍，使人們可以更好的認識世界和適應世界，實現(xiàn)機械自動化，從而讓人們從危險、繁重或無聊重復的工作中脫離出來，這很大程度上是為人類的福祉而努力。機械手正在逐漸變得智能化，在人工智能發(fā)揮著重要作用的今天，操縱者與人工智能之間的聯(lián)系正在不斷深化。與人類相比，機械手具有運動速度快、承載重物、定位精度高等優(yōu)點，還可根據(jù)外部信號自動進行各種操作。機械手是通過計算機編程來控制的機械裝置，通過這種編程的機械手，我們在很大程度上提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化，提高了生產(chǎn)效率。現(xiàn)在這個高新技術發(fā)達的時代，機械手的發(fā)展也需要不斷加快腳步。機械手的誕生直至發(fā)展雖然只有短短的30年，然而它已近成熟滲透到國民經(jīng)濟、民用技術等諸多領域，具有十分廣大的應用前景，甚至我們的生產(chǎn)生活已近完全離不開機械手，機械手煥出了十分強大的生命力。 1.2 機械手研究概況 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 H Fujimoto提出了一種基于采樣間干擾抑的六自由度機械手視覺伺服控制方法。在控制器中，針對采樣頻率受限的一般數(shù)字控制系統(tǒng)，采用了作者提出的多 - 27 - XXXXX 速率采樣間干擾抑制算法。所提出的具有開環(huán)估計和開關函數(shù)的前饋控制方案能夠在不犧牲閉環(huán)特性的情況下抑制干擾。建立了視覺伺服系統(tǒng)中延遲問題的一個新的精確表達式，即圖像處理延遲、攝像機信號采樣周期與關節(jié)伺服系統(tǒng)控制周期之差以及內(nèi)環(huán)關節(jié)伺服系統(tǒng)的延遲。通過引入新的多回路控制方案和深度辨識，提出的采樣間干擾抑制控制器適用于具有運動目標點的六自由度機械手的復雜視覺伺服問題。 SArima對六自由度機械手進行了詳細的研究，通過運動學和動力學分析、逆運動學仿真和數(shù)據(jù)分析對軌跡的正確規(guī)劃進行研究分析。因為運動算法的正確性不能直觀展現(xiàn)出來，他通過使用C++來分析機械手的運動軌跡和空間運動路徑的規(guī)劃，基于MFC和OpenGL圖形庫開發(fā)了3D運動仿真軟件系統(tǒng)IDE。他使用正向運動學，和運動仿真中結合軌跡規(guī)劃的算法，并根據(jù)多項式的求導計算等數(shù)學方法建立數(shù)學立模型軌跡規(guī)劃，使機械手得到了很大程度上的優(yōu)化和提升。 AGJ Kouabon和Melingui提出了一種求解高自由度冗余度機器手逆運動學問題的學習框架。這些有幾種可能的組合來獲得末端效應器（EE）姿勢。因此，對于給定的EE姿勢，可以關聯(lián)多個關節(jié)角度向量。然而，對于給定的EE位姿，如果將一組關節(jié)角參數(shù)化，則冗余度機械手的IK問題可以歸結為非冗余度機械手的IK問題，從而可以應用為非冗余度機械手開發(fā)的閉式解析方法來獲得IK解。通過對冗余度機械臂的工作空間聚類和位形空間聚類，實現(xiàn)了冗余度機械臂關節(jié)的參數(shù)化。工作空間聚類采用生長型神經(jīng)網(wǎng)絡（GNG），配置空間聚類采用鄰域函數(shù)（NF）。通過對冗余度機械手的仿真和實驗，驗證了該方法的有效性。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國機械手在很晚的時候才發(fā)展機械手，所以我國機械手的研發(fā)相對落后。80年代我國對機械手的研究才算正式啟動。 1986年春天，我國正式啟動了“七五”研究高新機械產(chǎn)品的規(guī)劃，這成為解決我國機械手問題的關鍵一步。1987年的時候，我們國家研究人員將機械臂列入了“863”高新技術計劃的研發(fā)項目。在當時，我國很多高校和研究機構都開始對機械手進行深度的研究，國家開始重視 和鼓勵科技創(chuàng)新，所以我國機械手的研究在很短的時間里就取得了顯著的成果。 空間kdw-ii于1989年被開發(fā)，它甚至擁有驚人的10自由度，它全長69cm，重量為13kg，質(zhì)量很輕。實現(xiàn)了前、后、上、和下樓梯時候的穩(wěn)定狀態(tài)和左右移動的穩(wěn)定狀態(tài)。在20世紀90年代科學家在kdwⅡ的平臺卡座上多加了兩組垂直接頭零件，使機械手發(fā)展成為具有12個自由度和轉(zhuǎn)彎功能的kdwⅢ，實現(xiàn)了機械 手自由度的突破，并得到了長遠的發(fā)展。 1996年科學家們使機械手實現(xiàn)了每秒0.8次的機械手抓取次數(shù)，步長20厘米-22厘米，最大工作坡度為19度。21世紀初期，我國第一臺仿人機械手“先鋒”在kdw-iii的基礎上研制成功，可用于偏差小、不確定度小的動態(tài)環(huán)境，周期為每秒兩步，高度1.4米，重量20公斤，具有頭、眼、頸、身、臂、腳等功能，并具有一定的語音功能。 老舊的機械手是欠驅(qū)動的，當抓取比較小的物體時。第一，物體很難被夾起，第二物體容易從手爪上面脫落。對于這個問題，馬江濤提出一種新型的機械手結構，是一種欠驅(qū)動方式的夾取機器，對之前的機械手進行了優(yōu)化和提升。他充分的介紹了他設計的欠定義型機械臂機械手抓和驅(qū)動機械手抓運動的伺服控制系統(tǒng)。創(chuàng)新了手爪的結構，通過對手指的靜態(tài)分析，證實了手爪的靈活性和可操作性。他根據(jù)對剛度的計算公式，和矩陣勢能模型，確定了機械手運行的合理范圍，確定了機械手最佳抓取形狀。通過多次的實驗，他設計的機械手可以輕松的應對抓取物品的尺寸的變化。 我們都知道，傳統(tǒng)的機械手工作的范圍十分的有限。通過團隊的協(xié)作徐頂峰等人研究出了一款可變手掌機械手，這種機械手擁有雙五桿滑塊，滑塊是并聯(lián)安裝的機構。,利用多目標遺傳算法優(yōu)化目標尺寸.結果表明曲柄的長度對機械手抓取范圍影響最大,并確認了機構死點位置。近年來，著名的清華大學在研制一款高1.7m、重130公斤、自由度32度的人形機械手thbip-i。清華大學學生在985項目科研工作計劃的不斷推動下，對于機械手的研究日新月異。 1.3 本次課程設計的意義和目的 在研究機械手的機械結構和主要作用時，穿插著機械手型號、自由度，電機的選擇，電路的設計和各零部件安裝位置的確定都是十分有意義的。動作復雜的機械手的設計需要我們學習很多新知識并結合已學知識，使得設計的成果能更好 東北電力大學本科畢業(yè)論文 展現(xiàn)出來。機械手在我們的生活中已經(jīng)占據(jù)了非常重要的地位，機械手的發(fā)展水 平很大程度上決定了社會的發(fā)展水平。但是現(xiàn)階段，我國很多原本可以由機械臂 XXXXXX 代替的工作卻仍然由工人操作，這就導致我國普遍存在的一個問題是工人的勞動強度大而工作效率低下。所以我在選擇畢業(yè)設計項目的時候就選擇了機械手，希望能把我大學四年學的知識得到一個綜合應用，希望我得到能力的提升。 目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)也很容易改變，這有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計是非常有意義的。 這次設計中我對大學四年所學知識做了一個整合，希望能完成一個比較完善的機械手臂，能體現(xiàn)機械設計制造及其自動化專業(yè)學生的理論研究水平和實際動手能力。本設計的機械臂可以用于搬運、夾取工件，還可以和數(shù)控機床或者加工中心聯(lián)合使用，以期獲得降低勞動強度、提高勞動生產(chǎn)率的的效果。  第2章 機械手臂的設計方案 2.1 機械手的總體設計 2.1.1 機械手結構類型 目前，機械手的分類標準有很多種形式，常見的是按機械手結構分類，大體可以分為：關節(jié)型機械手結構，直角坐標系下機械手，圓柱坐標系機械手，球坐標系機械手，下面來介紹各種機械手機械手的結構和功能特點。 (a) 直角坐標型 (b) 圓柱坐標型 (c) 球坐標型 (d) 關節(jié)型 圖2.1 四種類型機械手示意簡圖 (1) 直角坐標機械手結構 直角坐標機械手結構，顧名思義就是在直角坐標系下控制的機械手，這種機械手屬于比較常見的機械手類別?？臻g對這種機械手的影響較小，且這種機械手的尺寸遠遠大于其他機械手。所以一般適用于機床加工時的換刀操作，運動形式較為死板。對本次畢設不太適用，如2.1(a)圖所展示就是這種機械手結構。 (2) 圓柱坐標機械手結構 圓柱坐標控制的機械手可以實現(xiàn)以此旋轉(zhuǎn)運動和兩次直線運動，這是一種比較簡單的控制方式，如2.1(b)圖所展示的機械手結構。這種機械手的結構相對于其他機械手的結構來說是簡單的，但是他的精度不錯，可以很好地實現(xiàn)抓取的運動，工作的空間形狀為圓柱形。 (3) 球坐標機械手結構 求坐標系機械手運動，兩次旋轉(zhuǎn)，一次直線運動，如圖2.1（c）所示這種工作形式的機械手結構也相對簡單，然而機械手抓取的精度和其它的相比也相對較低，所以這種機械手不經(jīng)常被人們所使用。其主要的作用是作一些簡單的抓取工作，并且在一個球形的工作區(qū)域內(nèi)工作。 (4) 關節(jié)型機械手結構 關節(jié)類型的機械手就向我們的手臂一樣靈巧，通過大臂帶動著小臂一起運動，由三個回轉(zhuǎn)體組成，如圖2.1（d）所示。關節(jié)型的手的動作非常靈巧，他能簡單地實現(xiàn)很多動作。而且他體積小，這部手的研究非常受歡迎。相對于機械手主體的尺寸，機械運作時候所需的空間大。這樣的機械手適合被運用在機器制造業(yè)中， XXX 例如機械手用于焊接技術、自動汽車噴漆涂漆、快遞搬運等。 2.1.2 機械臂總體設計方案 關節(jié)式機械手是目前應用最廣泛的電動機械臂，上世紀80年代發(fā)明的適合裝配的平面關節(jié)機械手約占總機械手的1/2。綜合考慮各種結構類型機械臂的優(yōu)缺點，本次設計最終選擇多關節(jié)型機械手臂。 對機械臂來說自由度是一個非常重要的參數(shù)，自由度將直接決定了機械臂的類型和結構，甚至決定到機械臂能否按預期規(guī)劃完成規(guī)定的動作、是否會出錯等等關鍵問題。機械手的作用和機械手的工作環(huán)境決定機械手的自由度，機械手的自由度越是高，動作就越靈活，能完成的動作就越多。然而，自由度的增加必然使機械手的結構更加復雜，實現(xiàn)難度加大。因為此次畢業(yè)所涉設計的工業(yè)搬運機械手完成指定的搬運工作只需要4個自由度，所以本文設計了這種關節(jié)式的四自由度多功能搬運機械手，本設計中的機械手總共有四種動作，一是機械手臂的伸長縮短的直線運動，二是手臂的升高降低的直線運動，三是機械手的臂的回轉(zhuǎn)運動，四是機械臂末端執(zhí)行器需要的旋轉(zhuǎn)運動（便于末端執(zhí)行器的抓取工件），總共是四個自由度，對于多關節(jié)機械臂的要求是能實現(xiàn)兩個方向的轉(zhuǎn)動，和兩個方向的自由平動。 圖2.2 機械手工作布局圖 以上全部關于自由度的安排是在綜合考慮機械手臂的全面布局、具體細節(jié)和要滿足具體工藝的條件下做出的，這樣能夠使得機械臂的結構比較簡潔，也能具有較高的可靠度。為了減小成本，降低工藝流程，在盡量滿足數(shù)控機床及加工中心的具體形式的情況下作出決定，令機械臂具有結構簡單、手臂運動空間范圍較大、機械臂手臂的定位精度較高。作出機械臂工作時候的簡單布局圖，如上圖2.2所示。 2.2 機械臂腰部結構的設計 確定了總體布局方案后，對機械臂的各個部分進行分解分析，分解為底座、腰部、腕部、手爪，然后逐一進行詳細的分析設計，首先進行機械手腰座的設計。 2.2.1 機械手腰座結構的設計要求 關節(jié)型工業(yè)機器人的腰部是圓柱坐標機器人、球坐標機器人和直角坐標系機器人的旋轉(zhuǎn)基座，是關節(jié)型機器人的第一個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，機器人的所有運動部件都安裝在該部位上，要承受機器人的全部重量，在設計機器人的腰部結構時，我們應該遵循以下設計原則： 1.腰部底面也就是底板必須足夠大，否則難以承受機器人全部重量。 2.機械臂的腰座、腰部鏈接軸、和運動軸承的構造必須要能充分的低檔運動時所產(chǎn)生的的阻力。 3.機器人的腰是關節(jié)型機器人的第一個旋轉(zhuǎn)關節(jié)，對機器人末端的動作精度產(chǎn)生最大影響，因此，特別需要注意腰軸系統(tǒng)和傳動鏈的精度和剛性。 4.腰椎的旋轉(zhuǎn)需要驅(qū)動裝置（電、油壓、氣壓）鏈接減速器，驅(qū)動裝置通常有速度、位置傳感器和制動器。 5.腰部的構造要便于安裝和調(diào)整。腰和手的關節(jié)需要可靠的定位基準面，確保各關節(jié)的相互定位精度。設置調(diào)整機構，調(diào)整腰椎軸承的間隙和減速器的傳動間隙。 6.為了減小機器人運動部分的慣性，為了提高機器人的控制精度，腰的旋轉(zhuǎn)部分的外圍通常采用小鋁合金。靜止部分的底座可以采用鑄鐵和鑄鋼。 2.2.2 設計具體采用方案 腰座回轉(zhuǎn)的驅(qū)動形式要么是電機通過減速機構來實現(xiàn)，要么是通過擺動液壓缸或液壓馬達來實現(xiàn)，目前的趨勢一般是用前者。因為電動方式控制的精度能夠很高，而且結構緊湊，不用設計另外的液壓系統(tǒng)及其輔助元件?？紤]到腰座是機器人的第一個回轉(zhuǎn)關節(jié)，對機械手的最終精度影響大，故采用電機驅(qū)動來實現(xiàn)腰部的回轉(zhuǎn)運動。一般電機都不能直接驅(qū)動，考慮到轉(zhuǎn)速以及扭矩的具體要求，采用大傳動比的齒輪傳動系統(tǒng)進行減速和扭矩的放大。因為齒輪傳動存在著齒側間隙，影響傳動精度，故采用一級齒輪傳動，采用大的傳動比（大于100），同時為了減小機械手的整體結構，齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造，盡量減小因齒輪傳動造成的誤差。腰座具體結構如圖2.3所示： 圖2.3 腰座結構圖 2.3 機械手手臂的結構設計 2.3.1 機械手手臂的設計要求 手臂是一個重要部分，它的作用即是在一定的載荷和一定的速度下，實現(xiàn)在機械臂所規(guī)定的一定工作空間內(nèi)的確定運動。通俗來說，就是它支撐被拿工件、其余關節(jié)和末端執(zhí)行器、使得末端執(zhí)行器能夠拿取所需工件并且根據(jù)預先規(guī)定的路徑將工件搬送到規(guī)定地方。機械臂的結構形式是由其運動情況、完成動作需要的自由度、被抓取工件的重量、抓取時候的受力情況和其余一些影響因素來決定的。以上這些因素導致機械臂整個系統(tǒng)質(zhì)量一般比較大，受力情況較復雜。所以我們在設計機器人手臂時，一般應遵循以下幾個通用原則： 1.機械臂的剛度必須要足夠，否則在運動過程中有可能會因為剛度不夠而變形，也要合理規(guī)劃手臂橫截面應該有的形狀。 2.導向性好，為了避免運動過程中不必要的運動，手臂可以設計成正方形或花鍵。如果可能的話，我們應該使所有關節(jié)的軸線盡可能平行。如果有相互垂直的軸，它們也應該在一點相交。這一要求是為了簡化機械手系統(tǒng)的正、逆運動學操作和機械手的控制動作。 3.機械臂的尺寸必須滿足工作空間。工作空間由機械臂的長度和機械臂關節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度決定。但是，機器人手臂邊緣的工作空間不考慮機器人手臂的空間姿勢。對于機器人手臂的姿勢有具體要求的話，不考慮上述手腕的姿勢，手腕邊上的空間比工作空間小。 4.盡量減小運動部件的質(zhì)量，使偏扭矩小。在保證機械臂強度和剛度的前提下，降低機械臂的重量。你可以選擇較輕的材料，如高強度鋁合金，使武器。國外研究采用的碳纖維復合材料具有抗拉強度高、抗振性好、比重?。ㄆ浔戎叵喈斢阡摰?/4、鋁合金的2/3）等優(yōu)點。但是，這種材料很難獲得，而且價格昂貴，經(jīng)濟性低。因此，設計一個好的機械手一般都要進行有限元分析，優(yōu)化以減輕機械手的重量。 5.機械手臂各個零件之間的空隙應該保持得小，來減少間隙帶來的機械手精確度的問題。所以在選擇每一個零件的時候要保證零件的可靠性，配合的穩(wěn)定性。 6.關節(jié)回轉(zhuǎn)軸上機械臂的重量應該做到相對均衡，否則對電機負載的減小和機械臂響應速度的提升是非常不利的。設計過程中可以在機械臂上加裝小的機電元器件或者小的機電裝置來平衡手臂的不平衡重量，做到靜平衡和動平衡。 7.各關節(jié)要有限位開關還要設置有緩沖能力的限位塊，要充分考慮到驅(qū)動元件、傳動裝置和其他必要元件的安裝位置。 本設計中采用的是多關節(jié)型機械臂，針對需要的搬運和夾取功能，它有十分突出的優(yōu)點，動作靈活性好，動作角度范圍大，工作的空間范圍廣。 2.3.2 設計具體采用方案 機械手裝置實現(xiàn)伸長，縮短，抬高，下降，都屬于平面直線運動，可以實現(xiàn)這種功能的機械裝置有電動機配合滾珠絲杠、氣動傳動、液壓傳動等。這里將機械臂的大小臂的配合運動看做一組直線運動，綜合考慮工作環(huán)境及工作狀況、需要抓取的工件重量的大小、機械臂剛度及強度要求和動態(tài)性能能否滿足機械臂的使用要求。為了讓機械手的工作狀態(tài)更加的具有靈活性，和良好的運行性能，經(jīng)過多次的比較、討論后，該設計選用液壓驅(qū)動方式作為大小臂的驅(qū)動方式，選用液壓缸直接對大小臂進行驅(qū)動控制，可以很好的實現(xiàn)大小臂的直線運動。另外，液壓缸由于其能提供很大驅(qū)動力矩的特性，可以很好的保證足夠驅(qū)動力。為了滿足機械手強度的剛度的要求，手臂上液壓缸應該選擇比較大一點。但是這些都要在整體結構允許的條件下才能進行，所以這塊的設計要謹慎一點，綜合考慮各種影響因素的影響，也要對機械臂的大小臂進行強度校核。 與此同時，考慮到整體的結構水平，手臂不能太大。因此，底座部分選用雙液壓泵，增加剛度，這樣機械手的運動剛度和穩(wěn)定性能得以保證，機械臂的外形比較整齊美觀，整體結構也比較緊湊。此次設計的機械臂在結構上，充分汲取了挖掘機原理中的優(yōu)點，并作改進以期達到受力更加均衡的效果。如下圖2.4即為具體的機械臂臂部結構。 圖2.4 手臂部位結構示意圖 2.4 機械手腕部的結構設計 機器人的手臂運動（包括腰座的回轉(zhuǎn)運動），給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動位置，而安裝在機器人手臂末端的手腕，則給出了機器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運動姿態(tài)。機器人手腕是機器人操作機的最末端，它與機器人手臂配合運動，實現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運動軌跡與運動姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動作。 2.4.1 機器人手腕結構的設計要求 1.機器人手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)作業(yè)需要來設計。機器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關節(jié)的運動角度愈大，則機器人腕部的靈活性愈高，機器人對對作業(yè)的適應能力也愈強。但是，自由度的增加，也必然會使腕部結構更復雜，機器人的控制更困難，成本也會增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應根據(jù)實際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機器人手腕的自由度數(shù)為2至3個，有的需要更多的自由度，而有的機器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運動就能實現(xiàn)作業(yè)要求的任務。因此，要具體問題具體分析，考慮機器人的多種布局，運動方案，選擇滿足要求的最簡單的方案。 2.機器人腕部安裝在機器人手臂的末端，在設計機器人手腕時，應力求減少其重量和體積，結構力求緊湊。為了減輕機器人腕部的重量，腕部機構的驅(qū)動器采用分離傳動。腕部驅(qū)動器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動，并選用高強度的鋁合金制造。 3.機器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標準的聯(lián)接法蘭，結構上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 4.機器人的手腕機構要有足夠的強度和剛度，以保證力與運動的傳遞。 5.要設有可靠的傳動間隙調(diào)整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。 6.手腕各關節(jié)軸轉(zhuǎn)動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。 2.4.2本設計具體采用方案 通過對數(shù)控機床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機床加工的具體形式及對機械手上下料作業(yè)時的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度。本設計手腕和小臂設計在一起，可以簡化設計工作量，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，4個自由度來實現(xiàn)機床的上下料完全足夠。具體的手腕結構見圖2.5。 圖2.5 手爪聯(lián)結結構 2.5機械手末端執(zhí)行器（手爪）的結構設計 機器人末端執(zhí)行器是安裝在機器人手腕上用來進行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應機器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運用、加工用和測量用等。搬運用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運的物體。加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機器人附加裝置，用來進行相應的加工作業(yè)。測量用末端執(zhí)行器是裝有測量頭或傳感器的附加裝置，用來進行測量及檢驗作業(yè)。 末端執(zhí)行器可以說是機器手的外圍設備，及機械手臂末端工具（EOA）。本設計中末端執(zhí)行器主要是對物料進行夾取及釋放，因此，最終的效果必須設計有足夠的夾緊力和驅(qū)動力，手指必須有一定的開閉范圍，保證工件在手指中的夾緊精度，結構緊湊，重量輕，效率高，以考慮普遍性和特殊性要求。 2.5.1機械手末端執(zhí)行器的設計要求 末端執(zhí)行器作為安裝在手腕上的附加裝置,種類旁多,能夠滿足機器人不同工作情況和功能要求,一般用于搬運、噴涂、焊接和裝配等。所以末端執(zhí)行器有以下設計原則: 1.作為安裝在手腕上的附加裝置，TEM最終效果可以滿足機器人不同的工作條件和功能要求。通常用于搬運、噴涂、焊接和安裝。本項目采用搬運的最終效果，可以調(diào)整工件和抓取要搬運的物體。加工的最終效果配有噴涂臂、焊接臂等， 用于相應的加工，最終效果設計原則如下：末端執(zhí)行器應該根據(jù)操作要求設計，不同的工作場所需要不同的末端執(zhí)行器?，F(xiàn)在出現(xiàn)了一種機器人末端執(zhí)行器快換裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)像加工中心刀庫一樣的功能。末端執(zhí)行器的萬能性較復雜，比如人手一樣的手爪，難以實用化。目前，我國著重研發(fā)專用型末端執(zhí)行器，著重提高其工作效率。 2.機械手總的載荷能力是由末端執(zhí)行器質(zhì)量、所夾取工件質(zhì)量等決定的。因此機器人末端執(zhí)行器應該做到大小適宜、較為輕便、結構相對較為緊湊。 3.機械手的多功能性意味著一個機械手可以執(zhí)行多種功能，而機械手的多功能性則意味著最終效果適合不同的機器人，要實現(xiàn)最終效果的良好多功能性需要一個標準的機械接口使最終的效果達到規(guī)范性和通用性。通用性和萬能性是兩個概念，萬能性是指一機多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標準的機械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實現(xiàn)標準化和積木化。 4.機器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實現(xiàn)計算機控制。用計算機控制最方便的是電氣式執(zhí)行機構。因此，工業(yè)機器人執(zhí)行機構的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2機械臂末端執(zhí)行器的運動和驅(qū)動方式 最后的手爪一般稱為夾持器，它有兩個手指的擠壓和多個手指的擠壓，根據(jù)手指的運動方式，可分為旋轉(zhuǎn)式和移動式，根據(jù)爪夾方式，可分為外鉗式和內(nèi)支撐式，有三種方式進行最后的效果： 1.氣動式，電磁閥控制末端執(zhí)行器運動方向，氣流閥來調(diào)節(jié)末端執(zhí)行器運動速度。由于氣體的可壓縮性，氣缸壓縮氣體時動作緩慢，比較柔順，對于上下料來說，這一點彌足珍貴。另外，氣動驅(qū)動系統(tǒng)普遍價格低廉，可以極大程度上滿足經(jīng)濟性要求。 2.電動式，目前來看，電動驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動末端執(zhí)行器是十分常見的。采用直流伺服電機或步進電機配合減速器，十分便捷靈敏。另外電動驅(qū)動方式使得末端執(zhí)行器對于力與位置控制變得十分簡單。當然電動式驅(qū)動方式有個致命的缺點就是電機會產(chǎn)生熱量和火花，故而不能用于有防爆要求的條件下。 3.液壓式，液壓驅(qū)動方式有傳動功率大、低速平穩(wěn)、有過載保護、傳動布置靈活等優(yōu)點。但是存在壓力損失、工作性能受溫度影響大，一般在高溫或者低溫環(huán)境下工作較為困難、對操作維護人員水平要求高等缺點。 2.5.3 機械臂末端執(zhí)行器的典型結構 機械手末端執(zhí)行器的典型結構是：抓握楔形杠桿，即利用楔形杠桿和杠桿來抓取工件；卡扣式、柱塞式、滑塊式配合壓住集塵器，具有啟閉打擊大、適用于抓取不同尺寸工件的優(yōu)點；連桿式；在活塞的驅(qū)動下，連桿和杠桿使夾鉗產(chǎn)生鉗子運動或松脫，由于杠桿能施加很大的力，夾鉗能產(chǎn)生較大的緊力，通常與彈簧配合使用；齒輪齒條集電器通過活塞驅(qū)動齒條，齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生緊、松夾鉗的動作；平行杠桿擠壓，平行四邊形機構可保證駕駛員雙手在無導向架的情況下平行運動，摩擦力小。 2.5.4設計具體采用方案 結合具體的工作情況，本設計采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動活塞往復移動，通過活塞桿使手爪張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設計按照工件的直徑為50mm來設計。手爪的具體結構形式如圖2.6機械手末端執(zhí)行機構結構圖所示： 圖2.6 機械手執(zhí)行手爪結構示意圖 2.6機械手的機械傳動機構的設計 手臂部分在進行工作時，對于傳動準確性的要求十分的嚴格，傳動比必須的到確保才能使得機械手臂的平穩(wěn)和良好的運行。結構緊湊這是機械手的必要的要求，如果機械手零件之間存在太多的間隙，那么機械手的精度下降，并且機械手的可靠性降低。緊湊的結構設計可以提高機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的工作效率同時延長機械臂使用壽命，因此采取相應的措施使得機械臂結構更加緊湊是十分必要的。 2.6.1機械臂傳動機構設計應注意的問題 在涉及傳動機構的設計時我遇到了如下的問題，工作時如何提高運行速度和對物體控制的精度。之后我分析總結如下: 1.各個零部件的選擇材料時，在強度適宜的材料之中更輕更小的，結構更加緊密的，同時也應當充分考慮經(jīng)濟性。 2.傳動鏈及運動副中必須采用間隙調(diào)整以減小運動誤差。 3.靜摩擦力要盡可能的小而動摩擦力應盡可能作成正斜率，基于此采用低摩擦阻力的傳動部件如滾珠絲杠副等就顯得十分必要。 4.縮短傳動鏈，提高傳動與支承剛度。 5.盡可能選用最佳傳動比，這樣可以大幅度提高加速能力。 2.6.2工業(yè)機器人常用的傳動機構形式 機器人常用的傳動方式為線傳動、鏈傳動、帶傳動、滾珠絲桿傳動、齒輪齒條傳動、氣壓傳動等等。 線傳動的優(yōu)點是機構精巧、制造簡單，安裝方便、維護方便，占地??；但也有易磨損、傳動比不準確和需要預緊等缺點。 鏈傳動具有傳遞功率大，過載能力強，平均傳動比準確等優(yōu)點，也具有傳動平穩(wěn)性差，易跳齒，質(zhì)量大等缺點。 帶傳動有傳動平穩(wěn)，緩沖減振能力好，傳遞速度快，傳動比大等優(yōu)點，但是也有對于安裝精度要求很高然而承載載荷的能力小的缺點。 齒輪齒條傳動的特點是動力大、功率高、響應快、傳動比大；工作平穩(wěn)、可靠，傳動比精確，傳動位置精確，易于控制，安裝精度要求較高，幾乎沒什么缺點。 氣壓傳動，特點：成本低、質(zhì)量輕、響應快、動作快；可重復次數(shù)少；接口處易漏氣；輸出力不大。 諧波齒輪傳動具有結構簡單、體積小，傳動比大，精度高、誤差小、傳動平穩(wěn)，承載能力強、效率高等一系列優(yōu)點。 螺旋傳動主要就是將旋轉(zhuǎn)運動變換為直線運動，優(yōu)點是傳動比大，傳動效率高。 2.6.3 設計具體采用方案 本設計中的手臂部分由液壓缸直接驅(qū)動，此時的液壓缸不僅是關節(jié)機構，還是動力元件，因此不需要中間傳動機構。這樣機械臂的結構比較簡單，精度也得以提升。機械手腰部的回轉(zhuǎn)運動采用進電機驅(qū)動，此處步進電機的選用是最為經(jīng)濟合適的，但是選用步進電機的缺點是，步進電機必須采用傳動機構來減小速度和增大扭矩。經(jīng)過綜合考慮選擇圓柱齒輪傳動作為傳動機構，這樣不僅可以保證精確度較高，還可以增大扭矩和降低電機轉(zhuǎn)速。在這種情況下機械手的運行是比較平穩(wěn)的。圓柱齒輪傳動采用一級齒輪傳動，大傳動比（大于100），齒輪采用高強度、高硬度的材料，高精度加工制造。機械臂的末端執(zhí)行器（手爪）則采用氣缸驅(qū)動，利用活塞桿帶動手爪的四桿機構形成夾取運動。 2.7 機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計 2.7.1 機器人各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據(jù)需要也可這三種基本類型組合成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。這三類基本驅(qū)動系統(tǒng)的主要特點如下。 液壓驅(qū)動系統(tǒng)由于是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機器人。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。 氣動驅(qū)動系統(tǒng)具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機器人中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機器人中，如在上、下料和沖壓機器人中應用較多。 電動驅(qū)動系統(tǒng)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）廣泛采用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機器人中被大量采用。這類驅(qū)動系統(tǒng)不需要能量轉(zhuǎn)換，使用方便，噪聲較低，控制靈活。大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構。直流有刷電機不能直接用于要求防爆的工作環(huán)境中，成本上也較其他兩種驅(qū)動系統(tǒng)高。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。 2.7.2 工業(yè)機器人驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設計機器人時，驅(qū)動系統(tǒng)的選擇，要根據(jù)機器人的用途、作業(yè)要求、機器人的性能規(guī)范、控制功能、維護的復雜程度、運行的功耗、性價比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合上述各因素，充分論證其合理性、可行性、經(jīng)濟性及可靠性后進行最終的選擇。一般情況下： 物料搬運（包括上下料）使用的有限點位控制的程序控制機器人，重負荷的選擇液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負荷的可選電機驅(qū)動系統(tǒng)，輕負荷的可選氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機器人多采用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機器人，要求具有點位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動伺服系統(tǒng)才能滿足要求。點焊、弧焊機器人多采用電動驅(qū)動系統(tǒng)。重負荷的任意點位控制的點焊及搬運機器人選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)。 2.7.3 設計具體采用方案 具體到本設計，在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素。機械手腰部的旋轉(zhuǎn)運動需要一定的定位控制精度，故采用步進電機驅(qū)動來實現(xiàn)；因為手臂重量較大，故大小臂均采用液壓驅(qū)動；要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用電液伺服液壓缸進行驅(qū)動。而手爪的張開和夾緊通過氣缸驅(qū)動來實現(xiàn)，即手爪在氣缸推力作用下使手爪張開和閉合。 第3章 理論分析和設計計算 3.1 液壓傳動系統(tǒng)設計計算 3.1.1確定液壓系統(tǒng)基本方案 液壓傳動有五個基本部件：驅(qū)動裝置、泵、控制閥、發(fā)動機和負載。驅(qū)動裝置是電動機或其他動力機器。液壓發(fā)動機的功能與泵的功能完全相反。它將液壓輸入能轉(zhuǎn)換為機械輸出能，以促進裝藥的往復旋轉(zhuǎn)或運動。將機械能轉(zhuǎn)換為液壓能的裝置是一個能量元件，如液壓泵；將液壓能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置是執(zhí)行元件，如液壓缸、液壓機等，液壓缸作直線運動，液壓機作旋轉(zhuǎn)運動。將二者對比如下表3.1所示。 表3.1 液壓系統(tǒng)對比表 名 稱 特 點 適 用 場 合 雙桿活塞缸 雙向?qū)ΨQ 雙向工作的往復運動 單桿活塞缸 雙向不對稱 往返不對稱的直線運動 柱塞液壓缸 結構簡單 單向工作靠重力返回 擺動液壓缸 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 結構簡單 高速、低轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動 葉片馬達 體積小、轉(zhuǎn)動慣量小 高速低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏回轉(zhuǎn)運動 擺線齒輪馬達 體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大 低速、小功率大轉(zhuǎn)矩回轉(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，結構復雜，輸出轉(zhuǎn)矩大 低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運動 XXX 本文設計中選用了液壓驅(qū)動方式作為大小臂的驅(qū)動方式，可以很好的實現(xiàn)大小臂的直線運動。由于單桿活塞缸雙向不對稱、往返不對稱的直線運動的特點，本次設計中液壓缸則均采取單活塞桿液壓缸以實現(xiàn)大小臂所需要的直線運動。 3.1.2 確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù) 流量和壓力在液壓系統(tǒng)中起著決定性的作用，是確定液壓元件和選擇液壓系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)，在液壓系統(tǒng)中，壓力決定外部載荷，零件的尺寸和結構特性決定流量。在液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的設計中，重點研究了液壓系統(tǒng)的壓力和流量，基于上面的話，通過以下的計算過程來確定液壓系統(tǒng)的基本參數(shù)。 1.液壓缸載荷的計算與設計 通過觀察和計算液壓缸的受力情況，通過式（3.1）計算液壓缸的總載荷 （3.1） 式中，—外部施加的載荷， —液壓缸活塞伸縮時收的力； —容器密封的摩擦阻力； —液壓缸導向裝置阻力； —回程回油阻力； （1）計算液壓缸活塞伸縮時收的力 （3.2） 啟動的時間取做0.2s，將已知數(shù)值帶入式（3.2），計算得液壓缸活塞伸縮時收的力=1.02N （2）計算容器密封的摩擦阻力 （3.3） XXXX 因為該液壓缸在工作時的實際壓力小于16MPa，在液壓書上查得=0.2MPa； 機器啟動時的容器密封的摩擦阻力：564N 機器運動時的容器密封的摩擦阻力：282N （3）計算液壓缸導向裝置阻力 液壓缸在水平方向上工作時，機械臂存在著內(nèi)外兩個逆向?qū)Ч?，北外導管之間的摩擦力可通過公式3.4求解 （3.4） 式中的摩擦系數(shù)取0.1，把已知數(shù)據(jù)代入公式中得：=98N （4）計算回程回油阻力 回程回油阻力通過以下公式計算： （3.5） 式中，—背向壓力，通常取在0.3~0.5MPa ，我們?nèi)?0.3MPa ； —兩邊差動比為2。 將已知各個數(shù)據(jù)帶入式3.5中，可得回程回油阻力N， 通過總結計算，總結液壓缸在不同時候的受力情況，得到液壓缸的機械載荷總和為N。 2.液壓缸結構參數(shù)的確定 機械手的結構特點決定著液壓缸的數(shù)值，機械手各部分的剛度和準確性能十分的重要。大臂和小臂液壓缸在選擇的時候也不盡相同。剛度在進行液壓缸的選擇是顯得十分重要，通過適當?shù)膭偠纫允沟脵C械手的運動更加的安全與穩(wěn)定?？偤透鞣N條件，選擇液壓鋼的基本參數(shù)如下表： 表3.2 大臂液壓缸結構參數(shù) 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 40 10 25 400 2 表3.3 小臂液壓缸結構參數(shù) 缸內(nèi)徑 mm 壁厚 mm 桿直徑 mm 行程 mm 工作壓力 MPa 40 10 25 100 1 臂液壓缸主要承受軸向力，同時液壓泵也作為臂部機構。它既是關節(jié)機構，又是動力元件。通過對比數(shù)據(jù)以及設計需要最終確定選兩個大臂液壓泵，和選兩個小臂液壓泵。 3.1.3 計算和選擇液壓元件 1.液壓泵的計算與選擇 （1）通過計算來確定液壓泵的工作壓力 （3.12） 式中，為4MPa；取為1MPa。 通過上式計算清楚的看出液壓泵的工作壓力為 MPa （3.13） （2）確定液壓泵的流量 （3.14） 式中為泄露因數(shù)取1.1 （3.15） 經(jīng)計算得=3.140 帶入上式得L/min （3）計算得出液壓泵電機的功率為 （3.16） 式中，—為最大運動速度下所需的流量，同前，取為3.140L/min； —液壓泵實際工作壓力，5MPa； —為液壓泵總效率，取為0.8； 帶入數(shù)據(jù)計算得：=。 2.液壓缸控制元件的選擇和設計 液壓系統(tǒng)的最高工作載荷和最大實際流量，決定著元件的選擇與裝配，這部分考慮到時間的緊迫性和元件庫元件的繁多性吧，這里選擇跳過這一環(huán)節(jié)。 3.2 電機選型有關參數(shù)計算 3.2.1有關參數(shù)的計算 1.若傳動負載作回轉(zhuǎn)運動 負載額定功率： （3.17） 負載加速功率： （3.18） 負載力矩（折算到電機軸）： （3.19） 負載GD（折算到電機軸）： （3.20） 東北電力大學本科畢業(yè)論文 起動時間： （3.21） 制動時間： （3.22） 具體到本文的計算數(shù)據(jù)，因為電機的主要作用是驅(qū)動機械臂的回轉(zhuǎn)與動作，運動的傳遞形式屬于第二種運動方式。下面對這些運動方式進行具體的計算。 由于機械臂中間位置的運動只存在回轉(zhuǎn)力矩，不存在其他形式的力，如此一來在回轉(zhuǎn)軸上就存在如下的力矩； （3.23） 計算得=0.12；同時，機械手臂中間位置的旋轉(zhuǎn)速度為=5r/min；傳動比定為1/120；并且，，將已知數(shù)據(jù)代入求得：=10.45667。 將其帶入上式，得：W；W； 啟動的時間ms； 制動的時間ms； 通過折算歸結到電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩時：N·m。 3.2.2電機型號的選擇 1.腰部電機型號選擇 根據(jù)以上結果，綜合考慮各種因素，選擇國產(chǎn)北京和利時電機技術有限公司（原北京四通電機公司）的步進電機，具體型號為：110BYG550B-SAKRMA-0301 ,該步進電機高轉(zhuǎn)矩，低振動，綜合性能很好。 下表3.4為110BYG550B-SAKRMA-0301型步進電機相關技術參數(shù)，下圖3.3為該步進電機矩頻特性曲線。 驅(qū)動方式：升頻升壓；步距角：0.36°；其中步距角0.36，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，完全能滿足機械手的定位精度要求。 表3.4 所選電機相關參數(shù) 型號 相數(shù) 步距角 （°） 靜態(tài)相電流 （A） 相電阻 （Ω） 保持轉(zhuǎn)矩 （N·m） 定位轉(zhuǎn)矩 （N·m） 110BYG550B- SAKRMA-0301 5 0.36/0.72 3 0.7 8 0.5 圖3.3 110BYG550B-SAKRMA-0301步進電機的矩頻特性曲線 2.臂部電機型號選擇 由于臂部電機負載較小，綜合考慮，選用57STH76-2804A型號步進電機。下表3.6為57STH76-2804A型步進電機的相關技術參數(shù)。 表3.5 57STH76-2804A型步進電機技術參數(shù) 電機型號 步距角