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長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 機(jī)器人學(xué)是涉及電子精密機(jī)械、空間機(jī)構(gòu)學(xué)、操縱動(dòng)力學(xué)、人機(jī)工程學(xué)等的一門(mén)系統(tǒng)工程的學(xué)科。機(jī)器人技術(shù)是近30年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)，它代表了機(jī)電一體化的最高成就。本論文結(jié)合理論與實(shí)踐，對(duì)五自由度機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)控制系統(tǒng)，及其它一些系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 本文是對(duì)以液壓為動(dòng)力源的機(jī)械加工用機(jī)器人的設(shè)計(jì)說(shuō)明。它由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)等組成。本設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)是門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)論文，是經(jīng)過(guò)查閱大量參考資料后對(duì)所設(shè)計(jì)機(jī)械人具體設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)詳細(xì)說(shuō)明，本文設(shè)計(jì)了門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)原理，介紹了液壓緩沖系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人 液動(dòng) 實(shí)用化設(shè)計(jì) Abstract The robotics is an course, which involves the precise machine, the space organization, manipulated the dynamics, person with machine engineering learns a system engineering of etc..Technology of Robot is a new technology which has devolopped rapidly for about 30 years. It delegates the tiptop achievement of the system of mechanics and electronics. This paper studies on the control system，mechanical system and other systems of a robot of five-degree freedom. This paper is the design illustration about programmed controlling robot for machining, which is droved by liquid pressure. The industry robot is usually made up of operating system, driving and controlling system. This thesis is the design courses of the Gantry Industrial Robot Drive System. Written after looking up lots of materials, the article is the detailed explain of the courses about the design.This manual designed gantry driving principle,introduced the hydraulic buffer system. Keywords: Industry mechanical robot Liquid powered Mdulation design II 目 錄 第一章 緒論 1 1.1國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1 1.1.1工業(yè)機(jī)器人的概述 1 1.1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 1 1.1.3我國(guó)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì) 1 1.2工業(yè)機(jī)器人研究的意義 1 1.3畢業(yè)設(shè)計(jì)課題 2 1.3.1課題的提出 2 1.3.2課題題目及要求 2 1.3.3研究?jī)?nèi)容和要求 3 1.4 設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)分析 3 1.4.1 門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成 3 1.4.2該工業(yè)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 4 1.5門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及可行性論證 4 第二章 驅(qū)動(dòng)原理方案設(shè)計(jì) 6 2.1明確設(shè)計(jì)目標(biāo) 6 2.1.1機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo) 6 2.1.2機(jī)器人主要裝置機(jī)構(gòu)的功能要求 6 2.2驅(qū)動(dòng)原理方案的實(shí)現(xiàn) 7 2.2.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用原則 7 2.2.2驅(qū)動(dòng)方式的類(lèi)型 7 2.2.3驅(qū)動(dòng)方式比較 8 2.2.4原理方案的評(píng)價(jià) 8 2.2.5 原理方案的決策 9 第三章 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) １０ 3.1總體規(guī)劃 １０ 3.2液壓泵的選用 １０ 3.3液壓泵的選用 １２ 3.4液壓工作介質(zhì)的選擇 １３ 3.5 滑板液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 １３ 3.5.1壓力 １３ 3.5.2 流量 １４ 3.5.3活塞運(yùn)動(dòng)速度 １４ 3.5.4速比 １５ 3.5.5活塞的理論推力和拉力 １５ 3.6 液壓控制 １８ 3.6.1小車(chē)液壓控制裝置 １９ 第四章 零部件實(shí)用化設(shè)計(jì) ２１ 4.1 小車(chē)傳動(dòng)裝置——二級(jí)齒輪減速器設(shè)計(jì) ２１ 4.1.1選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) ２１ 4.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) ２１ 4.1.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) ２３ 4.1.4幾何尺寸計(jì)算 ２４ 4.1.5 第二級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) ２４ 4.1.6減速器的輸出端 ２５ 4.1.7減速器大齒輪鍵的設(shè)計(jì) ２５ 4.2 門(mén)架單軌的截面設(shè)計(jì) ２６ 4.2.1單軌剛度校合 ２７ 4.2.2 單軌強(qiáng)度校核 ２９ 4.3 滑板機(jī)構(gòu)定位裝置的彈簧設(shè)計(jì) ３０ 4.3.1 根據(jù)工作條件選擇材料并確定許用應(yīng)力 ３０ 4.3.2根據(jù)強(qiáng)度條件計(jì)算彈簧絲直徑 ３１ 4.3.3 根據(jù)剛度條件計(jì)算彈簧圈數(shù) ３１ 4.3.4 計(jì)算彈簧尺寸 ３１ 4.3.5 驗(yàn)算穩(wěn)定性 ３１ 4.3.6 疲勞強(qiáng)度校核 ３２ 第五章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 ３３ 5.1液壓系統(tǒng)元件、介質(zhì)選擇方面 ３３ 5.2液壓控制原理的選擇方面 ３３ 5.3二級(jí)齒輪減速器設(shè)計(jì)方面 ３３ 5.4單軌的截面設(shè)計(jì)方面 ３３ 5.5滑板機(jī)構(gòu)定位裝置的彈簧設(shè)計(jì)方面 ３３ 第六章 總 結(jié) ３５ 參 考 文 獻(xiàn) ３６ 致 謝 ３７ 第一章 緒 論 1.1國(guó)內(nèi)外機(jī)器人的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1.1.1工業(yè)機(jī)器人的概述 工業(yè)機(jī)器人是廣泛運(yùn)用的能夠自主動(dòng)作，且多軸聯(lián)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備。他們?cè)诒匾那闆r下配有傳感器，其動(dòng)作步驟包括靈活的，轉(zhuǎn)動(dòng)都是可編程控制的（即在工作過(guò)程中，無(wú)需任何外力的干預(yù)）。他們通常配備有機(jī)械手，刀具或其他可裝配的加工工具，以及能夠執(zhí)行搬運(yùn)操作與加工制造的任務(wù)。 1.1.2工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 機(jī)器人的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門(mén)科學(xué)技術(shù)。 工業(yè)機(jī)器人有三個(gè)方面使我們必要去發(fā)展的理由：一個(gè)是機(jī)器人干人不愿意干的事把人從有毒的、有害、高溫的或危險(xiǎn)的，這樣的環(huán)境中解放出來(lái)，同時(shí)機(jī)器人可以干不好干的活，另一方面機(jī)器人干人干不了的活，這也是非常重要的發(fā)展機(jī)器人的一個(gè)理由，比方說(shuō)人們對(duì)太空的認(rèn)識(shí)，人上不去的時(shí)候，叫機(jī)器人上天，上月球，以及到海洋，進(jìn)入到人體的小機(jī)器人，以及在微觀環(huán)境下，對(duì)原子分子進(jìn)行搬遷的機(jī)器人，都是人們不可達(dá)的工作。上述的三個(gè)問(wèn)題也就是說(shuō)機(jī)器人發(fā)展的三個(gè)理由。 1.1.3我國(guó)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì) 中國(guó)機(jī)器人經(jīng)過(guò)“七五”攻關(guān)計(jì)劃、“九五”攻關(guān)計(jì)劃和863計(jì)劃的支持，已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展，工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)也已經(jīng)成熟，應(yīng)用上也已經(jīng)遍布各行各業(yè)，但進(jìn)口機(jī)器人占了絕大多數(shù)。我國(guó)在某些關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，但還缺乏整體核心技術(shù)的突破，具有中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)機(jī)器人則很少。目前我國(guó)機(jī)器人技術(shù)相當(dāng)于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)0年代初的水平，特別是在制造工藝與裝備方面不能生產(chǎn)高精密、高速與高效的關(guān)鍵部件。我國(guó)目前取得較大進(jìn)展的機(jī)器人技術(shù)有：數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)與裝備、隧道掘進(jìn)機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、工程機(jī)械智能化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)、裝配自動(dòng)化機(jī)器人相關(guān)技術(shù)?，F(xiàn)已開(kāi)發(fā)出金屬焊接、噴涂、澆鑄裝配、搬運(yùn)、包裝、激光加工、檢驗(yàn)、真空、自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)等的工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品，主要應(yīng)用于汽車(chē)、摩托車(chē)、工程機(jī)械、家電等行業(yè)。 1.2工業(yè)機(jī)器人研究的意義 工業(yè)機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)金屬于一體的重要現(xiàn)代化制造業(yè)自動(dòng)化裝備工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種自動(dòng)化生產(chǎn)線上,它是機(jī)器人家族中最重要的成員,工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)(機(jī)械本體) 、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成, 是一種仿人操作、自動(dòng)控制,可重復(fù)編程,能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備,工業(yè)機(jī)器人包括模仿人類(lèi)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)型工業(yè)型機(jī)器人,直角坐標(biāo)型機(jī)器人,園柱坐標(biāo)型機(jī)器人、球坐標(biāo)型機(jī)器人、噴漆機(jī)器人、焊接機(jī)器人等。據(jù)專(zhuān)家預(yù)測(cè)，工業(yè)機(jī)器人的研究工作已向仿人化特種化智能化發(fā)展我們著手設(shè)計(jì)的門(mén)架機(jī)器人屬特種化機(jī)器人，所以工業(yè)機(jī)器人的研究具有重大的意義。 隨著我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)力飛躍發(fā)展，自動(dòng)化程度的迅速提高，實(shí)現(xiàn)工件的裝卸、轉(zhuǎn)向、輸送或操持焊槍噴槍、扳手等工具進(jìn)行加工、裝配等作業(yè)的自動(dòng)化，并減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，已愈來(lái)愈引起人們的重視。 1.3畢業(yè)設(shè)計(jì)課題 1.3.1課題的提出 經(jīng)社會(huì)調(diào)研，工業(yè)機(jī)器人分為三類(lèi)：第一類(lèi)是不需要人工操作的通用機(jī)器人，它是一種獨(dú)立不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定的動(dòng)作。它的特點(diǎn)是除具備普通機(jī)械的物理特性之外，還具備通用機(jī)械記憶智能的三元機(jī)械。第二類(lèi)是需要人工操作的，稱(chēng)為操作機(jī)。它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造機(jī)也屬于這一范疇 。第三類(lèi)是專(zhuān)用機(jī)器人，主要附屬在自動(dòng)機(jī)床多自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件的傳送。在這里我要設(shè)計(jì)的是數(shù)控機(jī)床用機(jī)器人執(zhí)行系統(tǒng)。 在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展數(shù)控機(jī)床用，鍛造，熱處理方面的機(jī)器人，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專(zhuān)用機(jī)器人的同時(shí)相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)器人，有條件的還要研制示教式機(jī)器人，計(jì)算機(jī)控制機(jī)器人和組合機(jī)器人等。將機(jī)器人個(gè)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮，擺動(dòng)，升降，橫移，俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)器人。即便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作。擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更好的發(fā)揮機(jī)器人的作用。 目前，美，日，俄以及瑞典，瑞士處在制造業(yè)的前沿，機(jī)器人在工廠普遍使用，其他國(guó)家也加快工業(yè)機(jī)器人的改進(jìn)和發(fā)展，使用機(jī)器人不僅能提高生產(chǎn)效率增加產(chǎn)值，還能帶動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的發(fā)展，提高國(guó)民生產(chǎn)總值。所以本課題的研究在現(xiàn)實(shí)生活中具有重大的意義。 1.3.2課題題目及要求 課題名稱(chēng)：門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 1)承載能力：kg 40 2)自由度數(shù)： 5 3)最大位移：小車(chē)沿單軌，mm 10800 手臂在垂直方向，mm 420 手臂轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)），（°） 100 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)），（°） 90 手腕相對(duì)縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)，（°） 90,180 4) 小車(chē)位移最大速度，m/s 0.8 手臂在垂直方向，m/s 0.8 手腕及手轉(zhuǎn)動(dòng)，（°）/s 90 5) 定位精度，mm ±1 6) 重量（數(shù)控裝置除外），kg 3000 1.3.3研究?jī)?nèi)容和要求 在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要完成以下內(nèi)容： 1. 展開(kāi)市場(chǎng)調(diào)研，查閱有關(guān)資料。 2.進(jìn)行原理方案論證，進(jìn)行優(yōu)化組合。 3.進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定主要技術(shù)參數(shù)。 4. 詳細(xì)設(shè)計(jì)完成典型部件，零件圖。 5. 進(jìn)行論文總結(jié)。 要求：原理方案設(shè)計(jì)，要進(jìn)行對(duì)功能原理進(jìn)行評(píng)價(jià)與決策，實(shí)用化設(shè)計(jì)，總體設(shè)計(jì)，對(duì)主要零部件設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)圖紙3張A0，用CAD完成。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1.5萬(wàn)字以上，外文翻譯4000漢字以上。 1.4 設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)分析 門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人是一種新型的自動(dòng)化操作裝置。它是根據(jù)作業(yè)的要求，按照預(yù)先確定的程序抓取物體或操持噴槍?zhuān)赴训裙ぞ呷ネ瓿梢欢ǖ淖鳂I(yè)。因此可以在繁重，高溫和多粉塵等勞動(dòng)條件較差的環(huán)境下作業(yè)，部分地代替人工操作。 門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人隨著電子技術(shù)的發(fā)展已逐步成為一個(gè)獨(dú)立的自動(dòng)化裝置，并擴(kuò)大應(yīng)用到各個(gè)機(jī)械加工制造行業(yè)。機(jī)械制造工業(yè)中繁重的勞動(dòng)比較多，迫切需要進(jìn)行技術(shù)改造。而工業(yè)機(jī)器人的研究和應(yīng)用將是有效改善生產(chǎn)勞動(dòng)條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)效率的有效手段之一。也是新技術(shù)革命的重要內(nèi)容之一。 1.4.1 門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成 根據(jù)上節(jié)要求的規(guī)格參數(shù)，決定該工業(yè)機(jī)器人的主要執(zhí)行元件采用液壓驅(qū)動(dòng)，為滿(mǎn)足規(guī)格以及定位，控制要求，本液動(dòng)工業(yè)機(jī)器人具體細(xì)節(jié)如下： 1）該門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人裝備有自動(dòng)可換夾持器的裝置，其中雙夾持器的裝置用來(lái)保證同時(shí)操作毛坯和在機(jī)床上加工的零件。工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)構(gòu)有可能作成可移動(dòng)的，并有門(mén)架結(jié)構(gòu)，使之能在一組帶有水平主軸的金屬切削機(jī)床上工作。 2）該機(jī)器人具有五個(gè)自由度，小車(chē)沿單軌的水平移動(dòng)，滑板在小車(chē)上垂直伸縮，手腕相對(duì)于水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)，手臂在垂直平面內(nèi)擺動(dòng)，手腕還可以繞自身軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)有限角度。 3）操作機(jī)桿件的驅(qū)動(dòng)裝置是液壓式的，小車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置沿單軌縱向移動(dòng)（電液步進(jìn)式），液壓馬達(dá)通過(guò)二級(jí)齒輪減速器與齒輪相連，在于固定在門(mén)架上的齒條嚙合。從而通過(guò)液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)小車(chē)沿門(mén)架上的導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。 4）在固定于滑板上的支架中滾動(dòng)軸承上安裝有軸頸。手臂的小尖做成支架形式，在其上固定有帶鉸鏈的的支承，以連接手臂擺動(dòng)的電液步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置的活塞桿，手臂安裝在滑板上。 1.4.2該工業(yè)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 1）手臂伸縮及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)：該機(jī)器人采用單桿雙作用式氣缸空心活塞桿結(jié)構(gòu)。手臂回轉(zhuǎn)，氣缸的伸縮氣管分別內(nèi)藏在活塞桿內(nèi)，以使外形清晰緊湊，避免氣管損傷。在雙作用式氣缸上方裝有導(dǎo)向桿，用它防止活塞桿在伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手部的夾持器手部按正確的方向運(yùn)動(dòng)。 2）夾持器結(jié)構(gòu)：夾持器結(jié)構(gòu)為齒輪齒條式。當(dāng)壓縮空氣經(jīng)手臂伸縮氣缸內(nèi)的伸縮氣管和夾緊缸的氣孔進(jìn)入右腔時(shí)，推動(dòng)齒條活塞桿向左移動(dòng)。經(jīng)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)手部夾持器夾緊工件，夾持器的松開(kāi)是靠定位彈簧達(dá)到的。 3）手臂升降用液壓緩沖器：通過(guò)液壓緩沖器的緩沖行程，達(dá)到緩沖的作用，使減輕部件的硬性沖擊及噪音，以及能夠精確定位等。緩沖的阻尼力可以通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。 4）手腕結(jié)構(gòu)：手腕結(jié)構(gòu)是連接夾持器與手臂的中間結(jié)構(gòu)，通過(guò)該結(jié)構(gòu)，使夾持器獲得一定角度的靈活擺動(dòng)，同時(shí)也可以將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給夾持器，其回轉(zhuǎn)功能的實(shí)現(xiàn)也是靠安裝在手腕內(nèi)部的氣體管道通氣來(lái)控制的。 1.5門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及可行性論證 門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人的主體為門(mén)架結(jié)構(gòu)。門(mén)架上有光滑的導(dǎo)軌（單軌），在門(mén)架上裝有可移動(dòng)小車(chē)，小車(chē)可沿門(mén)架上的單軌縱向移動(dòng)。小車(chē)?yán)锇惭b有滾輪及滑板，由液壓帶動(dòng)小車(chē)，沿導(dǎo)軌在門(mén)架上移動(dòng)。工業(yè)機(jī)器人的操作機(jī)滑板及手腕機(jī)構(gòu)安裝在小車(chē)上，小車(chē)的移動(dòng)可控制機(jī)械手抓取東西。 在固定于滑板的支架中，滾動(dòng)軸承上安裝有軸頸，它是與手臂機(jī)體剛性相連的半軸。手臂機(jī)體是雙肩杠桿焊接，手臂的肩部形成兩個(gè)平行板，承載上下軸頸，手腕驅(qū)動(dòng)裝配齒組建，平移機(jī)構(gòu)齒輪的軸以及此機(jī)構(gòu)中齒條的支承滾輪的軸。 操作機(jī)的手臂做成雙臂連桿形式，鉸接在滑板上，并可以在垂直平面內(nèi)做擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在手臂的下端鉸接帶夾持器的手腕，手腕可相對(duì)于水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)），此軸穿過(guò)將手腕固定在手臂上的連接鉸鏈，手腕還可以繞自身軸線旋轉(zhuǎn)一個(gè)自身角度，從而增大了工作范圍。 從理論上講，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可行的，并且此門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人將應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、工程工業(yè)中。 ３７ 第二章 驅(qū)動(dòng)原理方案設(shè)計(jì) 2.1明確設(shè)計(jì)目標(biāo) 2.1.1機(jī)器人的主要技術(shù)參數(shù)指標(biāo) 表2-1 序號(hào) 項(xiàng)目 參數(shù)指標(biāo) 1 承載能力，kg 40 2 自由度數(shù) 5 3 最大位移：小車(chē)沿單軌，mm 10800 手臂在垂直方向，mm 420 手臂轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）, 100 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）, 90 手腕相對(duì)縱軸轉(zhuǎn)動(dòng), 90，180 4 小車(chē)位移最大速度，m/s 0.8 手臂在垂直方向，m/s 0.8 手腕及手轉(zhuǎn)動(dòng)(.)/s 90 5 定位精度，mm 1 6 重量（數(shù)控裝置除外），kg 3000 2.1.2機(jī)器人主要裝置機(jī)構(gòu)的功能要求 表2-2 序號(hào) 裝置、機(jī)構(gòu) 實(shí) 現(xiàn) 功 能 1 定位數(shù)控裝置 實(shí)現(xiàn)沿三個(gè)坐標(biāo)軸的給定程序的位移 2 可移動(dòng)門(mén)架機(jī)構(gòu) 裝有可移動(dòng)小車(chē)，能在一組帶有水平主軸的金屬切削機(jī)床上工作 3 小車(chē)機(jī)構(gòu) 支撐滑板，在門(mén)架的單軌上水平移動(dòng) 4 滑板機(jī)構(gòu) 帶動(dòng)手臂，在機(jī)體的滾輪上豎直升降 5 自動(dòng)可換夾持器（雙夾持器裝置） 保證同時(shí)操作毛坯和在機(jī)床上加工零件 6 附加機(jī)構(gòu)和裝置 檢驗(yàn)毛坯基準(zhǔn)面、測(cè)量加工零件直徑、清洗機(jī)床和設(shè)備 2.2驅(qū)動(dòng)原理方案的實(shí)現(xiàn) 2.2.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用原則 工業(yè)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選用，應(yīng)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的性能要求、控制功能、運(yùn)行的功耗、應(yīng)用環(huán)境及作業(yè)要求、性能價(jià)格比以及其他因素綜合加以考慮。在充分考慮各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，在保證工業(yè)機(jī)器人性能規(guī)范、可行性和可靠性的前提下做出決定。一般情況下，各種機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用原則大致如下： ???1）控制方式 ??? 對(duì)物料搬運(yùn)（包括上、下料）、沖壓用的有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)器人，低速重負(fù)載時(shí)可選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；中等負(fù)載時(shí)可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輕負(fù)載時(shí)可選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；輕負(fù)載、高速時(shí)可選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，沖壓機(jī)器人手爪多選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 ???2）作業(yè)環(huán)境要求 ??? 從事噴涂作業(yè)的工業(yè)機(jī)器人，由于工作環(huán)境需要防爆，考慮到其防爆性能，多采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和具有本征防爆的交流電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。水下機(jī)器人、核工業(yè)專(zhuān)用機(jī)器人、空間機(jī)器人，以及在腐蝕性、易燃易爆氣體、放射性物質(zhì)環(huán)境中工作的移動(dòng)機(jī)器人，一般采用交流伺服驅(qū)動(dòng)。如要求在潔凈環(huán)境中使用，則多要求采用直接驅(qū)動(dòng)（Direct Drive——DD）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 ???3）?操作運(yùn)行速度 ??? 對(duì)于裝配機(jī)器人，由于要求其有較高的點(diǎn)位重復(fù)精度和較高的運(yùn)行速度，通常在運(yùn)行速度相對(duì)較低（≤4.5m/s）的情況下，可采用AC、DC或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；在速度、精度要求均很高的條件下，多采用直接驅(qū)動(dòng)（DD）電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 2.2.2驅(qū)動(dòng)方式的類(lèi)型 1）液壓式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由油缸、電磁閥、油泵和油箱等組成。其特點(diǎn)是操作力大，體積小，動(dòng)作平穩(wěn)，耐沖擊，耐振動(dòng)，但環(huán)境因素和漏油對(duì)系統(tǒng)的工作性能影響大，比氣壓成本高。 2）氣壓式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由氣缸、氣閥、空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)油罐等組成。其特點(diǎn)是操作力小，體積大，響應(yīng)慢，動(dòng)作不平穩(wěn)，有沖擊，但成本低，維修簡(jiǎn)單，臂力不超過(guò)300N。 3) 電氣式:其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),優(yōu)點(diǎn)是電源方便,信號(hào)傳遞及運(yùn)算容易,響應(yīng)快,驅(qū)動(dòng)力較大。  2.2.3驅(qū)動(dòng)方式比較 表2-3 比較內(nèi)容 液壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)動(dòng) 電氣驅(qū)動(dòng) 交直流電機(jī) 步進(jìn)/伺服電機(jī) 控制性能 可無(wú)級(jí)調(diào)速反映靈敏，可連續(xù)軌跡控制 氣體壓縮性大，精確定位困難，阻尼效果差 控制性能較差，不易精確定位 控制性能好，能精確定位，但系統(tǒng)復(fù)雜 輸出力 大 小 大 小 體積 在輸出力相同條件下，體積小 較大 要有減速裝置，體積較大 較小 維修及使用 方便、但油液對(duì)環(huán)境溫度有一定要求 方便 方便 較復(fù)雜 環(huán)境影響 易漏油，易燃 排氣有噪聲 無(wú) 無(wú) 應(yīng)用范圍 適用于重型低速驅(qū)動(dòng) 適用于中小型快速驅(qū)動(dòng) 速度低的中重型機(jī)器人 要求嚴(yán)格控制運(yùn)動(dòng)軌跡的中小型機(jī)器人 成本 較高 低 低 較高 2.2.4原理方案的評(píng)價(jià) 液壓驅(qū)動(dòng)與其它兩種驅(qū)動(dòng)方式相比，其優(yōu)點(diǎn)是: 1) 功率密度比大，能夠以較小的作動(dòng)器輸出較大的驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩。 2) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，剛性好，可以把動(dòng)作油缸直接做成關(guān)節(jié)的一部分。 3) 由于液體的不可伸縮性，定位精度比氣壓驅(qū)動(dòng)高，并可以實(shí)現(xiàn)任意位置的停止。 4) 能在很大范圍內(nèi)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)速過(guò)程也比較簡(jiǎn)單。 5) 運(yùn)動(dòng)件的慣性小,能夠頻繁迅速換向;液壓驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)。 6) 系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸震,使用安全閥可簡(jiǎn)單而有效地防止過(guò)載現(xiàn)象的發(fā)生。 7) 有良好的潤(rùn)滑性能，壽命長(zhǎng)。 8) 元件已基本上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化,利于CAD技術(shù)的應(yīng)用,提高工效,降低成本。 9) 和電氣控制結(jié)合，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和操作自動(dòng)化;與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合,能實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)控制工作。 液壓驅(qū)動(dòng)的主要缺點(diǎn)是： 1]油液容易泄漏，不僅影響穩(wěn)定性與定位精度，而且會(huì)有環(huán)境污染。 2]油液粘度隨溫度變化，不但影響工作性能，而且在高低溫條件下很難應(yīng)用。 3]油液中容易混入氣泡、水分等。 4]需配備壓力源及復(fù)雜的管路系統(tǒng)，因之成本較高。 5]易燃燒。 2.2.5 原理方案的決策 綜合考慮，選擇機(jī)器人的小車(chē)機(jī)構(gòu)和滑板機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為液壓式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),其功能原理圖如左圖所示： 1）門(mén)架機(jī)構(gòu)的單軌上裝有可移動(dòng)小車(chē)機(jī)構(gòu)，能在一組帶有水平主軸的金屬切削機(jī)床上工作 ； 2）小車(chē)機(jī)構(gòu)裝在有加強(qiáng)筋焊接的機(jī)體上，靠滾拄支撐移動(dòng)，其驅(qū)動(dòng)裝置包含兩個(gè)圓柱齒輪減速器，減速器的輸出軸上安裝齒輪，齒輪與齒條相嚙合。它支撐滑板，在門(mén)架的單軌上水平移動(dòng)； 3）滑板機(jī)構(gòu)與線性電液步進(jìn)式驅(qū)動(dòng)裝置的連桿相連，其橫截面采用封閉梯形結(jié)構(gòu)的焊接箱體，它帶動(dòng)手臂，在機(jī)體的滾輪上豎直升降； 4) 手臂機(jī)構(gòu)采用雙臂連桿 圖2.1 形式，鉸接在滑板上，在垂直面內(nèi)作擺動(dòng)； 5）手腕機(jī)構(gòu)固定在手臂機(jī)構(gòu)的連接鉸鏈上，也可以在垂直面內(nèi)作擺動(dòng)，并能自轉(zhuǎn)有限角度。 第三章 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1總體規(guī)劃 液壓系統(tǒng):液壓回路按給定的用途和要求組成的整體. 液壓系統(tǒng)的組成 表3-1 動(dòng)力部分 控制部分 執(zhí)行部分 輔助裝置 液壓泵,用以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成液體壓力能.有時(shí)也將蓄能器作為緊急或輔助動(dòng)力源 各類(lèi)壓力、流量和方向等控制閥,用以實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)、方向、作用力等的控制,也用于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù),程序控制等 液壓缸、液壓馬達(dá)等用以將液體動(dòng)力能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能 管道、蓄能器、過(guò)濾器、油箱、冷卻器、加熱器、壓力表、流量計(jì)等 液壓執(zhí)行元件的類(lèi)型、數(shù)量、安裝位置與主機(jī)的連接關(guān)系，對(duì)主機(jī)的設(shè)計(jì)有很大影響，所以，在考慮液壓設(shè)備的總體方案時(shí)，確定液壓執(zhí)行元件和確定主機(jī)整體機(jī)構(gòu)布局是同時(shí)進(jìn)行的，液壓執(zhí)行元件的選擇由主機(jī)的動(dòng)作要求、載荷輕重和布置空間條件確定。 3.2液壓泵的選用 根據(jù)系統(tǒng)的工況來(lái)選擇液壓泵。泵的主要參數(shù)有壓力、流量、轉(zhuǎn)速和效率。為保證系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)和泵的使用壽命，一般在固定設(shè)備系統(tǒng)中，正常工作壓力為泵的額定壓力的80％左右。泵的流量要大于系統(tǒng)工作的最大流量。為了延長(zhǎng)泵的壽命，泵的最高壓力與最高轉(zhuǎn)速不易同時(shí)使用。 液壓泵的類(lèi)型及特點(diǎn)： 1. 齒輪泵：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，但工作壓力較低，流量脈動(dòng)和壓力脈動(dòng)較大，如高壓下不采用端面補(bǔ)償時(shí)，其容積效率將明顯下降 2. 葉片泵：結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，流量均勻，壽命長(zhǎng)。其中單作用式葉片泵有一個(gè)排油口和一個(gè)吸油口，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，每?jī)善g的容積各吸排油一次，適用于低壓大流量的場(chǎng)合。 3. 柱塞泵：精度高，密封性能好，但它結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，制造精度高，價(jià)格貴，對(duì)油液污染敏感。 4. 螺桿泵：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，但加工較難，不能改變流量。 根據(jù)門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境、工況和經(jīng)濟(jì)性等方面的綜合考慮，確定選用葉片泵。 根據(jù)液壓泵標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的特點(diǎn)，選用YB－A36B型的液壓泵，其主要技術(shù)參數(shù)如下： 表3-2 型號(hào) 理論排量, ml/r 額定壓力, MPa Mpa 輸出流量L/min 驅(qū)動(dòng)功率, KW 轉(zhuǎn)速, r/min 重量,kg 油口尺寸 法蘭安裝 腳架安裝 進(jìn)口 出口 YB-A 36B 35.9 7 30.9 5.2 600- 1500 9 10 Rc1 Rc3/4 YB－A36B型液壓泵的外形尺寸如下圖所示，YB泵系是我國(guó)第一代國(guó)產(chǎn)葉片泵的第五次改型產(chǎn)品，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，流量范圍大，壓力流量脈動(dòng)小，噪聲低等一系列優(yōu)點(diǎn)，廣泛適用于機(jī)床設(shè)備和其它低壓系統(tǒng)中。 圖3.1 3.3液壓泵的選用 液壓泵的主要性能參數(shù)有轉(zhuǎn)矩、壓力、排量、容積效率、總效率等,要根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)工況進(jìn)行選擇。 液壓泵的類(lèi)型及特點(diǎn)： 1. 齒輪泵：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，但輸出的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速脈動(dòng)較大。 2. 葉片泵：結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，噪聲小，負(fù)載轉(zhuǎn)矩小。 3. 軸向柱塞泵：結(jié)構(gòu)緊湊，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，轉(zhuǎn)速高，易于變量。 4. 球塞式泵：負(fù)載轉(zhuǎn)矩大，徑向尺寸大，適合于中等工況。 根據(jù)門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境、工況和經(jīng)濟(jì)性等反面的綜合考慮，確定選用葉片式液壓泵，根據(jù)其產(chǎn)品的主要性能參數(shù)，選擇小車(chē)機(jī)構(gòu)和滑板機(jī)構(gòu)的液壓泵分別是YM-A32B型和YM-A28B型，其外形尺寸如下圖所示： 其主要性能參數(shù)如下： 表3-3 表3-4 型號(hào) 理論排量， ml/r 額定壓力， Mpa 轉(zhuǎn)速， r/min 輸出轉(zhuǎn)矩， N*m 重量，kg 油口尺寸 法蘭安裝 腳架安裝 進(jìn)口 出口 YM-A32B 29.9 6.3 100-2000 21.6 9.8 12.7 3/4” 3/4” YM-A28B 24.5 16.1 3.4液壓工作介質(zhì)的選擇 針對(duì)門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用條件，其介質(zhì)品種選擇的考慮因素是： 1） 液壓系統(tǒng)所處的工作環(huán)境：室內(nèi)作業(yè)，在東北地區(qū)工作，周?chē)忻骰鸷蜔嵩?。需保證防火安全，保持環(huán)境清潔。 2） 液壓系統(tǒng)的工況：采用葉片泵驅(qū)動(dòng)，每日兩班制，每年工作300天 3） 經(jīng)濟(jì)性：價(jià)格適中，更換周期長(zhǎng)，維護(hù)使用方便。 根據(jù)GB/T 7631.2-1987的產(chǎn)品介紹選用L-HFC型的工作介質(zhì)，其粘度等級(jí)在15到100，該產(chǎn)品通常為含乙二醇或其他聚合物的水溶液，使用溫度為－20～50℃，低溫性和對(duì)橡膠的適應(yīng)性好。它的難燃性好，適用于冶金和煤礦等行業(yè)的低中壓液壓系統(tǒng)。 介質(zhì)粘度選擇的考慮因素有： 1】 意義 對(duì)于多數(shù)液壓工作介質(zhì)來(lái)說(shuō)，粘度選擇就是介質(zhì)牌號(hào)的選擇，粘度選擇適當(dāng)不僅可以提高液壓系統(tǒng)的工作效率、靈敏度和可靠性，還可以減少溫升，降低磨損，從而延長(zhǎng)系統(tǒng)元件的使用壽命。 2】 選擇依據(jù) 液壓系統(tǒng)的元件中，液壓泵的載荷最重，所以，介質(zhì)粘度的選擇通常是以滿(mǎn)足液壓泵的要求來(lái)確定。 3】 修正 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度較高的系統(tǒng)，工作介質(zhì)的粘度要適當(dāng)選小些，以提高動(dòng)作靈敏度，減少流動(dòng)阻力和系統(tǒng)發(fā)熱。 根據(jù)GB/T 7631.2-1987選定的L-HFC型的工作介質(zhì)綜合考慮，確定介質(zhì)粘度等級(jí)是32. 3.5 滑板液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 綜合考慮滑板機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)和功能要求，根據(jù)GB/T 2348-1993和GB/T 2349-1980初選: 液壓缸內(nèi)徑 D=63mm ，活塞桿直徑 d=32mm，活塞行程 L=500mm 3.5.1壓力 油液作用在單位面積上的壓強(qiáng) p=F/A Pa 活塞的有效面積 A＝＝3.12×10m.如果活塞的有效工作面積一定，油液的壓力越大，活塞產(chǎn)生的作用力就越大. 已知滑板機(jī)構(gòu)最大承載m=40kg,若取液壓缸所提升的執(zhí)行裝置總重量M=500kg.那么作用在活塞上的載荷最大值 F=(m+M)g=(40+500)×9.8 N=5292 N (3-1) 最高允許壓力p= F/A=5292/3.12×10 Mpa＝1.70 Mpa,它也是動(dòng)態(tài)試驗(yàn)壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力，各國(guó)規(guī)范通常規(guī)定為p1.5PN 工稱(chēng)壓力PN是液壓缸能用以長(zhǎng)期工作的壓力，取PN=1.6 Mpa, p＝1.70 Mpa1.5PN,符合規(guī)定. 3.5.2 流量 Q=V/t , L/min V-液壓缸活塞一次行程中所消耗的油液體積，L t-液壓缸活塞一次行程所需時(shí)間，min v-活塞桿運(yùn)動(dòng)速度，m/min -當(dāng)活塞密封為彈性密封材料時(shí), =1;當(dāng)活塞密封為金屬環(huán)時(shí), =0.98現(xiàn)取=1 由于V=vAt×10 L，那么Q＝vA=Dv×10 L/min. 對(duì)于單活塞液壓缸,如圖所示， 最大速度v =0.8 m/s. v,m/s 當(dāng)活塞伸出時(shí)，Q＝Dv×10 L/min＝ 0.8 ×48×10 L/min＝149.63 L/min. 0 t, s （3-2） 圖3.2 當(dāng)活塞縮回時(shí)，Q＝(D-d) v×10 L/min=×10 L/min=111.03 L/min (3-3) 當(dāng)活塞差動(dòng)伸出時(shí)，Q＝dv× 10 L/min=×48×10 L/min＝38.60 L/min (3-4) 3.5.3活塞運(yùn)動(dòng)速度 v=Q/A, m/min 當(dāng)Q＝常數(shù)時(shí)，v＝常數(shù)，但是實(shí)際上，活塞在行程兩端各有一個(gè)加減速階段，如上圖，故上述公式中計(jì)算的數(shù)值均為活塞的最高運(yùn)動(dòng)速度 v，但活塞的最高運(yùn)動(dòng)速度受到活塞和活塞桿密封圈以及行程末端緩沖機(jī)構(gòu)所能承受的動(dòng)能的限制. 活塞的最低速度v受活塞和活塞桿密封件摩擦力和加工精度的影響不能太低，以免產(chǎn)生爬行，一般v>0.1～0.2m/min. 3.5.4速比 液壓缸活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速度之比 (3-5) v-活塞桿的伸出速度,m/min. v-活塞桿的縮回速度,m/min. 計(jì)算速比主要是為了確定活塞桿的直徑和是否設(shè)置緩沖裝置.速比不宜過(guò)大或過(guò)小,以免產(chǎn)生過(guò)大的背壓或造成因活塞桿太細(xì)導(dǎo)致穩(wěn)定性不好,根據(jù)工稱(chēng)壓力選定=1.33. 3.5.5活塞的理論推力和拉力 活塞桿伸出時(shí)的理論推力為 A-活塞無(wú)桿側(cè)有效面積,m F＝Aｐ×10＝×1.6×10 N (3-6) A-活塞有桿側(cè)有效面積,m =4.99×10 N p-供油壓力（工作油壓），Mpa 活塞桿縮回時(shí)的理論拉力為 F＝Ap×10＝×1.6×10 N＝3.70×10 N (3-7) 活塞桿差動(dòng)前進(jìn)時(shí)的理論推力為 F×10=×1.6×10 N＝1.29×10 N (3-8) 3.5.6活塞的最大允許行程 活塞行程在初步確定時(shí)，主要是按實(shí)際工作需要的長(zhǎng)度來(lái)考慮，但這一工作行程并不一定是液壓缸的穩(wěn)定性所允許的行程，應(yīng)首先計(jì)算出活塞桿的最大允許長(zhǎng)度L.因?yàn)榛钊麠U一般為細(xì)長(zhǎng)桿，當(dāng)L（10～15）d時(shí)，由歐拉公式推導(dǎo)出 L＝ ，mm. (3-9) F-活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力 FPn 將右側(cè)數(shù)據(jù)代入并化簡(jiǎn)后 n－安全系數(shù)，通常n=3.5～6 L≈320. E－材料的彈性模數(shù)，鋼材 的材料彈性模數(shù) E＝2.1×10N/mm (3-10) 活塞桿最大壓力P=5292N.取n=6 I－活塞桿的橫截面 慣性矩,mm L≈320×≈1838.8mm 圓截面I ＝＝0.049d 對(duì)活塞桿來(lái)說(shuō)n=1，如下圖所示， 那么L= L=1838.8mm 許用行程S=L-l-K 若l=200mm,K=1000mm S=638.8 根據(jù)GB/T2349-1980 選取標(biāo)準(zhǔn)行程630mm.  圖3..3 3.5.7液壓缸的功和功率 液壓缸所作的功為 W＝FS. J F－液壓缸的載荷（推力或拉力）N 活塞桿伸出時(shí), W＝FS=4.99×10×630×10J＝3143.7J (3-11) S－活塞行程，m 活塞桿縮回時(shí)，W＝FS=3.70×10×630×10J＝2331J (3-12) 功率N＝＝Fv 活塞桿伸出時(shí), N＝Fv=4.99×10×0.8W＝3.99×10W (3-13) 活塞桿縮回時(shí)，N＝Fv=3.70×10×0.8W＝2.96×10W (3-14) 根據(jù)液壓缸的性能參數(shù)計(jì)算，選用帶接近開(kāi)關(guān)的拉桿式液壓缸。接近感應(yīng)開(kāi)關(guān)用來(lái)控制行程兩端位置的換向,它是非接觸敏感元件，無(wú)接觸，無(wú)磨損，輸出信號(hào)準(zhǔn)確，安全可靠，感應(yīng)開(kāi)關(guān)位置可以任意調(diào)節(jié)。其技術(shù)參數(shù)如下： 表3-5 額定壓力/Mpa 7～14 使用溫度/℃ -10～60 最高允許壓力/Mpa 10.5～21 最高運(yùn)行速度m/s 1 最低啟動(dòng)壓力/Mpa <0.3 工作介質(zhì) 等 礦物油,水-乙二醇 榆次油研液壓有限公司的產(chǎn)品有CJT35L、CJT70L、CJT140L,工作壓力為3.5MPa、7 MPa、14 Mpa,帶接近開(kāi)關(guān). 武漢油缸廠生產(chǎn)的產(chǎn)品有WY10,工作壓力為7 MPa、14 Mpa,其外形尺寸如下圖所示， 其參數(shù)如下： 圖3.4 表3-6 工作壓力/MPa 缸徑/mm A/mm A/mm h/mm h/mm H/mm 7、14 63 51 102 57 76 20 3.6 液壓控制 液壓系統(tǒng)的基本工作參數(shù)是壓力和流量。電液比例壓力控制就是采用電液比例壓力閥對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行單參數(shù)比例控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出力或轉(zhuǎn)矩的比例控制。 電液控制的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：電器或電子技術(shù)在信號(hào)的檢測(cè)、放大、處理和傳輸?shù)确矫姹绕渌矫娓哂忻黠@的優(yōu)勢(shì)，特別是現(xiàn)代微電子集成技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)展，使得這種優(yōu)勢(shì)更顯突出。因此，工程系統(tǒng)的指令及信號(hào)處理單元和檢測(cè)反饋單元幾乎無(wú)一例外地采用了電子器件，即在功率放大單元和執(zhí)行部件方面，液壓元件則有更多的優(yōu)越性。電液控制技術(shù)集合了電控與液壓的交叉技術(shù)優(yōu)勢(shì)。 電液比例系統(tǒng)的基本特點(diǎn)： 1）可明顯的簡(jiǎn)化液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜程序控制； 2）引進(jìn)微電子技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，利用電信號(hào)便于遠(yuǎn)距離控制，以及實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)或總線檢測(cè)與控制； 3）電液系統(tǒng)的快速性，是系統(tǒng)開(kāi)關(guān)閥控制無(wú)法達(dá)到的； 4）利用反饋提高控制精度或?qū)崿F(xiàn)特定的控制目標(biāo)； 5）便于機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn) 本機(jī)器人的液壓控制閥采用力馬達(dá)控制噴嘴擋板的直控式比例壓力閥，其結(jié)構(gòu)類(lèi)似比例電磁鐵的結(jié)構(gòu)，擋板直接與力馬達(dá)銜鐵推桿固接，壓力油進(jìn)入噴嘴腔室前經(jīng)過(guò)固定節(jié)流器。 如右圖所示力馬達(dá)比例壓力閥的工作原理是：力馬達(dá)在輸入控制電流后通過(guò)推桿使擋板產(chǎn)生位移，改變輸入力馬達(dá)電流信號(hào)的大小，可以改變擋板和噴嘴之間的距離x，因而能控制噴嘴處的壓力，它的壓力、流量特性比較容易控制，工作比較可靠，是提高比例閥控制精度和響應(yīng)速度的一種結(jié)構(gòu)形式。 圖3.5 3.6.1小車(chē)液壓控制裝置 小車(chē)液壓驅(qū)動(dòng)裝置如下圖所示，它由步進(jìn)馬達(dá)和成套電液步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置組成。當(dāng)信號(hào)傳遞到步進(jìn)馬達(dá)上時(shí)，其轉(zhuǎn)子通過(guò)螺旋傳動(dòng)推動(dòng)液壓分配器的滑閥，它連接者壓力管和溢流管與相應(yīng)的液壓馬達(dá)腔。液壓馬達(dá)之間的連接使其在軸上的力矩方向相反，以保持在齒輪齒條傳動(dòng)中無(wú)隙嚙合。步進(jìn)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其與分配器滑閥剛性相連的軸，使得滑閥回到初始位置，從而實(shí)現(xiàn)位置反饋。 圖3.6 3.6.2滑板液壓控制裝置 圖3.7 滑板液壓驅(qū)動(dòng)裝置如下圖所示，它步進(jìn)馬達(dá)、隨動(dòng)分配器和液壓缸組成，液壓缸 塞桿內(nèi)裝有位置反饋螺旋機(jī)構(gòu)。在信號(hào)傳遞到步進(jìn)電機(jī)時(shí)，其轉(zhuǎn)子通過(guò)螺旋傳動(dòng) 為絲杠傳動(dòng)，而通過(guò)齒輪傳動(dòng)和螺旋副變?yōu)榛y軸向移動(dòng)。 第四章 零部件實(shí)用化設(shè)計(jì) 4.1 小車(chē)傳動(dòng)裝置——二級(jí)齒輪減速器設(shè)計(jì) 小車(chē)傳動(dòng)裝置包含兩個(gè)二級(jí)圓柱齒輪減速器，減速器的輸出軸上安裝齒輪，齒輪與單軌上的齒條相嚙合，在門(mén)架單軌上水平移動(dòng)。 [已知] 二級(jí)減速器由YM－A32B的葉片式液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其輸入功率P＝3.28KW.第一級(jí)小齒輪轉(zhuǎn)速n=1450r/min.齒數(shù)比u=3. 工作壽命十年,設(shè)每年工作300天,兩班制,工作載荷有輕微沖擊。 4.1.1選定齒輪類(lèi)型、精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 1]選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng) 2]選用7級(jí)精度 3]材料選擇. 選擇小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)),硬度為280HBS. 大齒輪材料為45號(hào)鋼 (調(diào)質(zhì)),硬度為240HBS,二者硬度差為40 HBS。 4]選小齒輪齒數(shù)z=20.大齒輪齒數(shù)z= u z=3×20＝60 4.1.2按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，即 d≥2.32 （4-1） 1．確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 1]試選載荷系數(shù)K=1.3 2]計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T=95.5×10P/ n=95.5×10×3.28/1450N.mm=2.16×10N.mm （4-2） 3]查取齒寬系數(shù)＝1 4]查得材料的彈性影響系數(shù)Z=189.8MPa 5]按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=600Mpa. 大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限=550Mpa 6]計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N＝60njL=60×1450×1×（2×8×300×10）＝4.176×10 (4-3) N＝4.176×10/3＝1.392×10 (4-4) 7]查得接觸疲勞壽命系數(shù) K=0.9 K=0.95 8]計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1 []=K/S=0.9×600MPa=540 MPa (4-5) []=K/S=0.95×550 MPa＝522.5 MPa (4-6) 2. 計(jì)算 1） 計(jì)算小齒輪分度圓直徑d，代入[]中較小的值 d≥2.32 =2.32mm=39.513mm (4-7) 2)計(jì)算圓周速度v v== m/s=3.0 m/s (4-8) 3)計(jì)算齒寬b b=d=1×39.513 mm=39.513 mm (4-9) 4)計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) m= d/ z=39.513/20 mm=1.976 mm (4-10) 齒高 h=2.25 m=2.25×1.976 mm=4.45 mm (4-11) b/h=39.513/4.45=8.88 5)計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)v=3.0 m/s,7級(jí)精度，查得動(dòng)載荷系數(shù)K=1.13; 對(duì)于直齒輪，假設(shè)KF/b<100 N/mm查得K=K=1.2; 查得使用系數(shù) K=1.35; 查得7級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支撐非對(duì)稱(chēng)布置時(shí) K=1.12+0.18(1+0.6)+0.23×10b =1.12+0.18(1+0.6)+0.23×10×39.513＝1.417 (4-12) 由 b/h=8.88，K＝1.417查得K=1.34故載荷系數(shù) K= KKKK=1.35×1.13×1.2×1.417＝2.594 (4-13) 6）按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑 d= d=39.513×＝49.74 mm (4-14) 7）計(jì)算模數(shù)m m= d/ z=49.74/20 mm=2.49 mm (4-15) 4.1.3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式 m (4-16) 1. 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值 1） 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ＝500MPa；大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限=380MPa 2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù)K=0.85, K=0.88 3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4 []=K/S=0.85×500/1.4 MPa=303.57 MPa (4-17) []=K/S=0.88×380/1.4 MPa＝238.86 MPa (4-18) 4） 計(jì)算載荷系數(shù)K K= KK KK=1.35×1.13×1.2×1.34＝2.453 (4-19) 5） 齒形系數(shù)查取，查得Y=2.8,Y=2.28 6） 應(yīng)力校正系數(shù)查取 Y=1.55,Y=1.73 7） 計(jì)算大小齒輪的YY/[] 并加以比較 Y Y/[]=2.8×1.55/303.57＝0.0143 (4-20) Y Y/[]＝2.28×1.73/238.86＝0.0165 (4-21) 大齒輪的數(shù)值較大 2. 設(shè)計(jì)計(jì)算 m≥ mm=1.635 (4-22) 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)1.635，并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值1.75mm按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑，算出小齒輪齒數(shù) z＝d/m=49.74/1.75＝29，所以z=u z=3×29＝87 這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)既滿(mǎn)足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿(mǎn)足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，并做到結(jié)構(gòu)緊湊，避免浪費(fèi) 4.1.4幾何尺寸計(jì)算 1） 計(jì)算分度圓直徑 d＝zm=29×1.75 mm=50.75 mm (4-23) d= zm=87×1.75 mm=152.25 mm (4-24) 2） 計(jì)算中心距 =( d+ d)/2=(50.75+152.25)/2 mm=101.5 mm (4-25) 3） 計(jì)算齒輪寬度 b=d=1×50.75 mm=50.75 mm,取B=50.75 mm,B=55.75 mm 驗(yàn)算 ＝2T/ d＝2×2.16×10/50.75＝851.23 N (4-26) K/b=1.35×851.23/50.75 N/mm＝22.64 N/mm.合適 4.1.5 第二級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 對(duì)于第二級(jí)齒輪傳動(dòng)，取齒數(shù)比u=2，大小齒輪齒數(shù)z=24，z= uz=48.齒輪傳動(dòng)效率取0.99，那么第二級(jí)齒輪傳動(dòng)所傳遞的轉(zhuǎn)矩 T= T×0.99＝2.16×10×0.99 N·mm＝2.14×10 N·mm (4-27) 根據(jù)第一級(jí)齒輪傳動(dòng)的計(jì)算設(shè)計(jì)過(guò)程，同理類(lèi)似地設(shè)計(jì)出第二級(jí)齒輪傳動(dòng)，二級(jí)減速器簡(jiǎn)圖如下圖所示： 第二級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)結(jié)果如下： 1. 模數(shù) m=1.5 2. 齒數(shù) 小齒輪z=d/m=49.69/1.5=34 大齒輪z= uz=68 3. 分度圓直徑 小齒輪d＝zm=34×1.5 mm=51 mm (4-28) 大齒輪d= zm=68×1.5 mm=102 mm (4-29) 4. 中心距 =( d+ d)/2=(51+102)/2=76.5 mm (4-30) 5. 齒輪寬度 b=d=1×51 mm=51 mm，取B＝51 mm，B=56 mm 圖4.1 4.1.6減速器的輸出端 對(duì)于減速器的輸出端， 轉(zhuǎn)速n=n=n/ u,因?yàn)閚=n/u=1450/3 r/min=484 r/min 所以輸出端轉(zhuǎn)速n=n/ u=484/2 r/min=242 r/min (4-31) 由于輸出端最大速度v=0.8m/s，根據(jù)公式 v=計(jì)算出輸出端齒輪直徑， d== mm=63.14 mm .(4-32) 4.1.7減速器大齒輪鍵的設(shè)計(jì) [已知]若齒輪用平鍵與軸聯(lián)接，傳遞的扭轉(zhuǎn)力矩M＝21.6 Nm. 鍵的許用應(yīng)力＝60Mpa，=100 Mpa 軸的直徑d=36 mm 根據(jù)GB1096－79選取鍵的尺寸為b×h=10×8，取鍵長(zhǎng)l=20 mm 1. 校核鍵的剪切強(qiáng)度 如圖所示將平鍵沿n-n截面分成兩部分，并把n-n以下部分和軸作為一個(gè)整體來(lái)考慮，因?yàn)榧僭O(shè)在n-n截面上的剪應(yīng)力均勻分布，故n-n截面上剪應(yīng)力Q為 Q＝A＝bl 對(duì)軸心取矩，由平衡方程＝0 Q=bl=M(4-33) 故有，＝＝＝6Mpa<，可見(jiàn)鍵滿(mǎn)足剪切強(qiáng)度條件 2. 校核鍵的擠壓強(qiáng)度 考慮鍵在n-n截面以上部分的平衡，在n-n截面上的剪應(yīng)力Q＝bl 擠壓力為P＝＝，投影于水平方向Q＝P 圖4.2 因此求得＝＝＝15 Mpa<， (4-33) 故該鍵滿(mǎn)足擠壓強(qiáng)度要求 4.2 門(mén)架單軌的截面設(shè)計(jì) 圖4.3 門(mén)架式工業(yè)機(jī)器人的單軌受負(fù)載及其機(jī)械設(shè)備的重力（m＋M）g作用，如圖簡(jiǎn)化成在集中力P作用下的簡(jiǎn)支梁. [已知]單軌的材料彈性模量 E＝210 Gpa. l＝5.78m P＝（m＋M）g=(40+70