车床自动装料机械手的设计Word文档格式.docx
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控制器；
液压；
传感器
目录
1机械手的总体设计1
1.1机械手总体结构的类型1
1.2设计具体采用方案2
2机械手腰座结构的设计3
2.1机械手腰部的结构设计3
2.2机械手手臂的结构设计3
2.3机械手爪部的结构设计4
2.4手的机械传动机构的设计5
2.5机械手驱动系统的设计6
3理论分析和设计计算9
3.1确定液压系统基本方案9
3.2确定液压系统的主要参数9
3.3计算和选择液压元件13
3.4液压系统性能的验算14
3.5电机选型有关参数计算14
3.6电机型号的选择16
4.齿轮的设计计算17
4.1齿轮设计17
4.2校正18
总结20
致谢21
参考文献22
工程概况
目前，在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成，劳动强度大、生产效率低。
为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术，设计用一台装卸机械手代替人工工作，以提高劳动生产率。
本机械手主要与数控车床（数控铣床，加工中心等）组合最终形成生产线，实现加工过程（上料、加工、下料）的自动化、无人化。
目前，我国的制造业正在迅速发展，越来越多的资金流向制造业，越来越多的厂商加入到制造业。
本设计能够应用到加工工厂车间，满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求，从而减轻工人劳动强度，节约加工辅助时间，提高生产效率和生产力。
在设计之前，必须要有一个指导原则。
这次毕业设计的设计原则是：
以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。
在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。
本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。
1机械手的总体设计
1.1机械手总体结构的类型
工业机器人的结构形式主要有直角坐标结构，圆柱坐标结构，球坐标结构，关节型结构四种。
各结构形式及其相应的特点，分别介绍如下。
1.直角坐标机器人结构
直角坐标机器人的空间运动是用三个相互垂直的直线运动来实现的，如图a1-1.。
由于直线运动易于实现全闭环的位置控制，所以，直角坐标机器人有可能达到很高的位置精度（μm级）。
但是，这种直角坐标机器人的运动空间相对机器人的结构尺寸来讲，是比较小的。
因此，为了实现一定的运动空间，直角坐标机器人的结构尺寸要比其他类型的机器人的结构尺寸大得多。
直角坐标机器人的工作空间为一空间长方体。
直角坐标机器人主要用于装配作业及搬运作业，直角坐标机器人有悬臂式，龙门式，天车式三种结构。
2.圆柱坐标机器人结构
圆柱坐标机器人的空间运动是用一个回转运动及两个直线运动来实现的，如图1-1.b。
这种机器人构造比较简单，精度还可以，常用于搬运作业。
其工作空间是一个圆柱状的空间。
3.球坐标机器人结构
球坐标机器人的空间运动是由两个回转运动和一个直线运动来实现的，如图1-1.c。
这种机器人结构简单、成本较低，但精度不很高。
主要应用于搬运作业。
其工作空间是一个类球形的空间。
4.关节型机器人结构
关节型机器人的空间运动是由三个回转运动实现的，如图1-1.d。
关节型机器人动作灵活，结构紧凑，占地面积小。
相对机器人本体尺寸，其工作空间比较大。
此种机器人在工业中应用十分广泛，如焊接、喷漆、搬运、装配等作业，都广泛采用这种类型的机器人。
1.2设计具体采用方案
图1-2机械手工作布局图
具体到本设计，因为设计要求搬运的加工工件的质量达30KG，且长度达500MM，同时考虑到数控机床布局的具体形式及对机械手的具体要求，考虑在满足系统工艺要求的前提下，尽量简化结构，以减小成本、提高可靠度。
该机械手在工作中需要3种运动,其中手臂的伸缩和立柱升降为两个直线运动,另一个为手臂的回转运动,综合考虑，机械手自由度数目取为3，坐标形式选择圆柱坐标形式，即一个转动自由度两个移动自由度，其特点是:
结构比较简单,手臂运动范围大,且有较高的定位准确度。
机械手工作布局图如图1-2所示。
2机械手腰座结构的设计
2.1机械手腰部的结构设计
2.1.1设计具体采用方案
腰座回转的驱动形式要么是电机通过减速机构来实现，要么是通过摆动液压缸或液压马达来实现，目前的趋势是用前者。
因为电动方式控制的精度能够很高，而且结构紧凑，不用设计另外的液压系统及其辅助元件。
考虑到腰座是机器人的第一个回转关节，对机械手的最终精度影响大，故采用电机驱动来实现腰部的回转运动。
一般电机都不能直接驱动，考虑到转速以及扭矩的具体要求，采用大传动比的齿轮传动系统进行减速和扭矩的放大。
因为齿轮传动存在着齿侧间隙，影响传动精度，故采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），同时为了减小机械手的整体结构，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造，尽量减小因齿轮传动造成的误差。
腰座具体结构如图2-1所示：
图2-1腰座结构图
2.2机械手手臂的结构设计
2.2.1机械手手臂的设计要求
机器人手臂的作用，是在一定的载荷和一定的速度下，实现在机器人所要求的工作空间内的运动。
在进行机器人手臂设计时，要遵循下述原则；
1.应尽可能使机器人手臂各关节轴相互平行；
相互垂直的轴应尽可能相交于一点，这样可以使机器人运动学正逆运算简化，有利于机器人的控制。
2.机器人手臂的结构尺寸应满足机器人工作空间的要求。
工作空间的形状和大小与机器人手臂的长度，手臂关节的转动范围有密切的关系。
但机器人手臂末端工作空间并没有考虑机器人手腕的空间姿态要求，如果对机器人手腕的姿态提出具体的要求，则其手臂末端可实现的空间要小于上述没有考虑手腕姿态的工作空间。
3.为了提高机器人的运动速度与控制精度，应在保证机器人手臂有足够强度和刚度的条件下，尽可能在结构上、材料上设法减轻手臂的重量。
力求选用高强度的轻质材料，通常选用高强度铝合金制造机器人手臂。
2.2.2设计具体采用方案
因为液压系统能提供很大的驱动力，因此在驱动力和结构的强度都是比较容易实现的，关键是机械手运动的稳定性和刚度的满足。
因此手臂液压缸的设计原则是缸的直径取得大一点（在整体结构允许的情况下），再进行强度的较核。
同时，因为控制和具体工作的要求，机械手的手臂的结构不能太大，若仅仅通过增大液压缸的缸径来增大刚度，是不能满足系统刚度要求的。
因此，在设计时另外增设了导杆机构，小臂增设了两个导杆，与活塞杆一起构成等边三角形的截面形式，尽量增加其刚度；
大臂增设了四个导杆，成正四边形布置，为减小质量，各个导杆均采用空心结构。
通过增设导杆，能显著提高机械手的运动刚度和稳定性，比较好的解决了结构、稳定性的问题。
2.3机械手爪部的结构设计
2.3.1机器人手爪结构的设计要求
1.机器人手爪的自由度数，应根据作业需要来设计。
机器人手腕自由度数目愈多，各关节的运动角度愈大，则机器人腕部的灵活性愈高，机器人对对作业的适应能力也愈强。
但是，自由度的增加，也必然会使腕部结构更复杂，机器人的控制更困难，成本也会增加。
因此，手腕的自由度数，应根据实际作业要求来确定。
在满足作业要求的前提下，应使自由度数尽可能的少。
2.人手腕的自由度数为2至3个，有的需要更多的自由度，而有的机器人手腕不需要自由度，仅凭受臂和腰部的运动就能实现作业要求的任务。
因此，要具体问题具体分析，考虑机器人的多种布局，运动方案，选择满足要求的最简单的方案。
2.3.2设计具体采用方案
通过对数控机床上下料作业的具体分析，考虑数控机床加工的具体形式及对机械手上下料作业时的具体要求，在满足系统工艺要求的前提下提高安全和可靠性，为使机械手的结构尽量简单，降低控制的难度，本设计手爪不增加自由度，实践证明这是完全能满足作业要求的，3个自由度来实现机床的上下料完全足够。
具体结构见图2-2
图2-2机械手末端执行手爪结构图
2.4手的机械传动机构的设计
在机器人中常用的齿轮传动机构有圆柱齿轮，圆锥齿轮，谐波齿轮，摆线针轮及蜗轮蜗杆传动等。
机器人系统中齿轮传动设计的一些问题
齿轮传动形式及其传动比的最佳匹配选择。
齿轮传动部件是转矩、转速和转向的变换器用于伺服系统的齿轮减速器是一个力矩变换器。
齿轮传动比应满足驱动部件与负载之间的位移及转矩、转速的匹配要求，其输入电动机为高转速，低转矩，而输出则为低转速，高转矩。
故齿轮传动系统要有足够的刚度，还要求其转动惯量尽量小，以便在获得同一加速度时所需的转矩小，即在同一驱动功率时，其加速度响应最大。
齿轮的啮合间隙会造成传动死区（失动量），若该死区是闭环系统中，则可能造成系统不稳定，常使系统产生低频振荡，因此要尽量采用齿侧间隙小，精度高的齿轮；
为尽量降低制造成本，要采用调整齿侧间隙的方法来消除或减小啮合间隙，从而提高传动精度和系统的稳定性。
2.5机械手驱动系统的设计
2.5.1机器人液压驱动系统
液压系统自1962年在世界上第一台机器人中应用到现在，已在工业机器人中获得了广泛的应用。
目前，虽然在中等负荷以下的工业机器人中大量采用电机驱动系统，但是在简易经济型、重型的工业机器人和喷涂机器人中采用液压系统的还仍然占有很大的比例。
液压系统在机器人中所起的作用是通过电-液转换元件把控制信号进行功率放大，对液压动力机构进行方向、位置、和速度的控制，进而控制机器人手臂按给定的运动规律动作。
液压动力机构多数情况下采用直线液压缸或摆动马达，连续回转的液压马达用得很少。
在工业机器人中，中、小功率的液压驱动系统用节流调速的为多，大功率的用容积调速系统。
节流调速系统，动态特性好，但是效率低。
容积调速系统，动态特性不如前者，但效率高。
机器人液压驱动系统包括程序控制和伺服控制两类。
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