机床上下料机械手设计 - 说明书（65页）

第1章 绪论

1.1 选题背景

机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术，它更加促进了机械手的发展，使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装 ，加工工件的搬运、装卸，特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。目前，机械手已发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中一个重要组成部分。把机床设备和机械手共同构成一个柔性加工系统或柔性制造单元，它适应于中、小批量生产，可以节省庞大的工件输送装置，结构紧凑，而且适应性很强。当工件变更时，柔性生产系统很容易改变，有利于企业不断更新适销对路的品种，提高产品质量，更好地适应市场竞争的需要。而目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离，应用规模和产业化水平低，机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高，从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此，进行机械手的研究设计是非常有意义的。

1.2 设计目的

本设计通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合，完成一个特定功能、特殊要求的数控机床上下料机械手的设计，能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平，实践动手能力以及专业精神和态度，具有较强的针对性和明确的实施目标，能够实现理论和实践的有机结合。

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

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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。

1.3 国内外研究现状和趋势

目前，在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点，其研究的现状和大体趋势如下：

A．机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。

B．工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。

C．机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制；多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。

D．关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计；柔性仿形喷涂机器人开发，柔性仿形复合机构开发，仿形伺服轴轨迹规划研究，控制系统开发；

E．焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究；以及离线示教编程和系统动态仿真。

总的来说，大体是两个方向：其一是机器人的智能化，多传感器、多控制器，先进的控制算法，复杂的机电控制系统；其二是与

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生产加工相联系，满足相对具体的任务的工业机器人，主要采用性价比高的模块，在满足工作要求的基础上，追求系统的经济、简洁、可靠，大量采用工业控制器，市场化、模块化的元件。

1.4 设计原则

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。

第2章 设计方案的论证

2.1机械手的总体设计

2.1.1 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a2-1.。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。

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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2-1.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2-1.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2-1.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。 关节型机器人结构，有水平关节型和垂直关节型两种。

图2-1 四种机器人坐标形式

2.1.2 设计具体采用方案

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图2-2

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2-2所示。

2.2 机械手腰座结构的设计

进行了机械手的总体设计后，就要针对机械手的腰部、手臂、手腕、末端执行器等各个部分进行详细设计。

2.2.1 机械手腰座结构的设计要求

工业机器人腰座，就是圆柱坐标机器人，球坐标机器人及关节

型机器人的回转基座。它是机器人的第一个回转关节，机器人的运动部分全部安装在腰座上，它承受了机器人的全部重量。在设计机器人腰座结构时，要注意以下设计原则：

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1.腰座要有足够大的安装基面，以保证机器人在工作时整体安装的稳定性。

2.腰座要承受机器人全部的重量和载荷，因此，机器人的基座和腰部轴及轴承的结构要有足够大的强度和刚度，以保证其承载能力。

3.机器人的腰座是机器人的第一个回转关节，它对机器人末端的运动精度影响最大，因此，在设计时要特别注意腰部轴系及传动链的精度与刚度的保证。

4.腰部的回转运动要有相应的驱动装置，它包括驱动器（电动、液压及气动）及减速器。驱动装置一般都带有速度与位置传感器，以及制动器。

5.腰部结构要便于安装、调整。腰部与机器人手臂的联结要有可靠的定位基准面，以保证各关节的相互位置精度。要设有调整机构，用来调整腰部轴承间隙及减速器的传动间隙。

6.为了减轻机器人运动部分的惯量，提高机器人的控制精度，一般腰部回转运动部分的壳体是由比重较小的铝合金材料制成，而不运动的基座是用铸铁或铸钢材料制成。

2.2.2 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2-3所示：

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图2-3 腰座结构图

2.3 机械手手臂的结构设计

2.3.1 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。

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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。目前，在国外，也在研究用碳纤维复合材料制造机器人手臂。碳纤维复合材料抗拉强度高，抗振性好，比重小（其比重相当于钢的1/4，相当于铝合金的2/3），但是，其价格昂贵，且在性能稳定性及制造复杂形状工件的工艺上尚存在问题，故还未能在生产实际中推广应用。目前比较有效的办法是用有限元法进行机器人手臂结构的优化设计。在保证所需强度与刚度的情况下，减轻机器人手臂的重量。

4.机器人各关节的轴承间隙要尽可能小，以减小机械间隙所造成的运动误差。因此，各关节都应有工作可靠、便于调整的轴承间隙调整机构。

5.机器人的手臂相对其关节回转轴应尽可能在重量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。在设计机器人的手臂时，应尽可能利用在机器人上安装的机电元器件与装置的重量来减小机器人手臂的不平衡重量，必要时还要设计平衡机构来平衡手臂残余的不平衡重量。

6.机器人手臂在结构上要考虑各关节的限位开关和具有一定缓冲能力的机械限位块，以及驱动装置，传动机构及其它元件的安装。

2.3.2 设计具体采用方案

机械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸缩运动都为直线运动。直线运动的实现一般是气动传动，液压传动以及电动机驱动滚珠丝杠来实现。考虑到搬运工件的重量较大，考虑加工工件的质量达30KG，属中型重量，同时考虑到机械手的动态性能及运动的稳定性，安全性，对手臂的刚度有较高的要求。综合考虑，两手臂的驱动均选择液压驱动方式，通过液压缸的直接驱动，液压缸既是驱动元件，又是执行运动件，不用再设计另外的执行件了；而且液压缸实现直线运动，控制简单，易于实现计算机的控制。

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

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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。

2.4 机械手腕部的结构设计

机器人的手臂运动（包括腰座的回转运动），给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动位置，而安装在机器人手臂末端的手腕，则给出了机器人末端执行器在其工作空间中的运动姿态。机器人手腕是机器人操作机的最末端，它与机器人手臂配合运动，实现安装在手腕上的末端执行器的空间运动轨迹与运动姿态，完成所需要的作业动作。

2.4.1 机器人手腕结构的设计要求

1.机器人手腕的自由度数，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。一般的机器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.机器人腕部安装在机器人手臂的末端，在设计机器人手腕时，应力求减少其重量和体积，结构力求紧凑。为了减轻机器人腕部的重量，腕部机构的驱动器采用分离传动。腕部驱动器一般安装在手臂上，而不采用直接驱动，并选用高强度的铝合金制造。

3.机器人手腕要与末端执行器相联，因此，要有标准的联接法

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兰，结构上要便于装卸末端执行器。

4.机器人的手腕机构要有足够的强度和刚度，以保证力与运动的传递。

5.要设有可靠的传动间隙调整机构，以减小空回间隙，提高传动精度。

6.手腕各关节轴转动要有限位开关，并设置硬限位，以防止超限造成机械损坏。

2.4.2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，本设计手腕不增加自由度，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。具体的手腕（手臂手爪联结梁）结构见图2-4。

水平液压缸支承板手臂手爪联结梁执行手爪

图2-4手爪联结结构

2.5机械手末端执行器（手爪）的结构设计

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换算到末级输出轴上的总转角误差为 ??max???1??2???3??4???5??6???7??????8 ii2i3i4i3i4i4（2-2）

由此可知总转角误差主要取决于最末级齿轮的转角误差和传动比的大小。因此，在设计中最末两级的传动比应取大一些，并尽量提高其加工精度。

b．等效转动惯量最小原则。利用该原则设计的齿轮系统要使换算到电动机轴上的等效转动惯量最小，各级传动比也是按照“先小后大”的次序分配，以使其结构紧凑。 具体而言有几点：

（1）对要求运动平稳，起停频繁和动态性能好的伺服系统，按最小等效转动惯量和总转角误差最小的原则来处理。

（2）对于变负载的传动齿轮系统的各级传动比最好采用不可约的比数，避免同期啮合以降低噪音和振动。

（3）对于提高传动精度和减小回程误差为主的传动齿轮系统，按总转角误差最小原则；对于增速传动，由于增速时容易破坏传动齿轮系工作的平稳性，应在开始几级就增速，并且要求每级增速比最好大于1:3，以有利于增加轮系的刚度，减小传动误差。

（4）对以比较大传动比传动的齿轮系，往往需要将定轴轮系和行星轮系结合为混合轮系。对于相当大大传动比、并且要求传动精度与传动效率高，传动平稳以及体积小重量轻时。可选用新型的谐波齿轮传动。

2.谐波齿轮传动

谐波齿轮传动具有结构简单、体积小重量轻，传动比大（几十到几百），传动精度高、回程误差小、噪音低、传动平稳，承载能力强、效率高等一系列优点。故在工业机器人系统中得到广泛的应用。谐波齿轮传动与少齿差行星齿轮传动十分相似，它是依靠柔性齿轮产生的可控变形波引起齿间的相对错齿来传递动力与运动的，故谐波齿轮传动与一般的齿轮传动具有本质上的差别。

3.螺旋传动

螺旋传动及丝杠螺母，它主要是用来将旋转运动变换为直线运

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动或将直线运动变换为旋转运动。螺旋传动有传递能量为主的，如螺旋压力机、千斤顶等；有以传递运动为主的，如机床工作台的进给丝杠。

丝杠螺母传动分为普通丝杠（滑动摩擦）和滚珠丝杠（滚动摩擦），前者结构简单、加工方便、制造成本低，具有自锁能力；但是摩擦阻力矩大、传动效率低（30%~40%）。后者虽然结构复杂、制造成本高，但是其最大的优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（92%~98%），其运动平稳性好，灵活度高。通过预紧，能消除间隙、提高传动刚度；进给精度和重复定位精度高。使用寿命长；而且同步性好，使用可靠、润滑简单，因此滚珠丝杠在机器人中应用很多。由于滚珠丝杠传动返行程不能自锁；因此在用于垂直方向传动时，须附加自锁机构或制动装置。在选用滚珠丝杠要考虑以下几项指标： （1）滚珠丝杠的精度等级；

（2）滚珠丝杠的传动间隙允许值和预加载荷的期望值； （3）载荷条件（静、动载荷）以及载荷允许值； （4）滚珠丝杠的工作寿命； （5）滚珠丝杠的临界转速； （6）滚珠丝杠的刚度；

减小滚珠丝杠空回行程的方法，多是采用双螺母结构，使螺母与丝杠之间有一定的预加载荷。这样可以消除传动间隙，提高传动精度与刚度。但是预加载荷会使滚珠丝杠寿命下降，所以，预加载荷不应超过工作载荷的1/3。

4.同步带传动

同步带传动是综合了普通带传动和链轮链条传动优点的一种新型传动，它在带的工作面及带轮外周上均制有啮合齿，通过带齿与轮齿作啮合传动。为保证带和带轮作无滑动的同步传动，齿形带采用了承载后无弹性变形的高强力材料，无弹性滑动，以保证节距不变。同步带具有传动比准确、传动效率高（可达98%）、节能效果好；能吸振、噪声低、不需要润滑；传动平稳，能高速传动（可达40m/s）、传动比可达10，结构紧凑、维护方便等优点，故在机器人中使用很多。其主要缺点是安装精度要求高、中心距要求严格，同时具有一定的蠕变性。同步带带轮齿形有梯形齿形和圆弧齿形。

5.钢带传动

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钢带传动的特点是钢带与带轮间接触面积大，是无间隙传动、摩擦阻力大，无滑动，结构简单紧凑、运行可靠、噪声低，驱动力矩大、寿命长，钢带无蠕变、传动效率高。

6.链传动

在机器人中链传动多用于腕传动上，为了减轻机器人末端的重量，一般都将腕关节驱动电机安装在小臂后端或大臂关节处。由于电机距离被传动的腕关节较远，故采用精密套筒滚子链来传动。

7.钢丝绳轮传动

钢丝绳轮传动具有结构简单、传动刚度大、结构柔软，成本较低等优点。其缺点是带轮较大、安装面积大、加速度不宜太高。

2.6.3 设计具体采用方案

具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂和垂直手臂，由于液压缸实现直接驱动，它既是关节机构，又是动力元件。故不需要中间传动机构，这既简化了结构，同时又提高了精度。而机械手腰部的回转运动采用步进电机驱动，必须采用传动机构来减速和增大扭矩。经分析比较，选择圆柱齿轮传动，为了保证比较高的精度，尽量减小因齿轮传动造成的误差；同时大大增大扭矩，同时较大的降低电机转速，以使机械手的运动平稳，动态性能好。这里只采用一级齿轮传动，采用大的传动比（大于100），齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。

2.7机械手驱动系统的设计

2.7.1机器人各类驱动系统的特点

工业机器人的驱动系统，按动力源分为液压、气动和电动三大类。根据需要也可这三种基本类型组合成复合式的驱动系统。这三类基本驱动系统的主要特点如下。

1.液压驱动系统

由于液压技术是一种比较成熟的技术，它具有动力大、力（或力矩）与惯量比大、快速响应高、易于实现直接驱动等特点。适合于在承载能力大，惯量大以及在防火防爆的环境中工作的机器人。但是，液压系统需要进行能量转换（电能转换成液压能），速度控制

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多数情况下采用节流调速，效率比电动驱动系统低，液压系统的液体泄露会对环境产生污染，工作噪音也较高。

2.气动驱动系统

具有速度快，系统结构简单，维修方便、价格低等特点。适用于中、小负荷的机器人中采用。但是因难于实现伺服控制，多用于程序控制的机器人中，如在上、下料和冲压机器人中应用较多。

3.电动驱动系统

由于低惯量、大转矩的交、直流伺服电机及其配套的伺服驱动器（交流变频器、直流脉冲宽度调制器）的广泛采用，这类驱动系统在机器人中被大量采用。这类驱动系统不需要能量转换，使用方便，噪声较低，控制灵活。大多数电机后面需安装精密的传动机构。直流有刷电机不能直接用于要求防爆的工作环境中，成本上也较其他两种驱动系统高。但因为这类驱动系统优点比较突出，因此在机器人中被广泛的使用。

2.7.2工业机器人驱动系统的选择原则

设计机器人时，驱动系统的选择，要根据机器人的用途、作业要求、机器人的性能规范、控制功能、维护的复杂程度、运行的功耗、性价比以及现有的条件等综合因素加以考虑。在注意各类驱动系统特点的基础上，综合上述各因素，充分论证其合理性、可行性、经济性及可靠性后进行最终的选择。一般情况下：

1.物料搬运（包括上下料）使用的有限点位控制的程序控制机器人，重负荷的选择液压驱动系统，中等负荷的可选电机驱动系统，轻负荷的可选气动驱动系统。冲压机器人多采用气动驱动系统。

2.用于点焊和弧焊及喷涂作业的机器人，要求具有点位和轨迹控制功能，需采用伺服驱动系统。只有采用液压或电动伺服系统才能满足要求。点焊、弧焊机器人多采用电动驱动系统。重负荷的任意点位控制的点焊及搬运机器人选用液压驱动系统。

2.7.3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

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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。

1.程序控制机器人的液压系统

这类机器人属非伺服控制的机器人，在只有简单搬运作业功能的机器人中，常常采用简易的逻辑控制装置或可编程控制器对机器人实现有限点位的控制。这类机器人的液压系统设计要重视以下方面：

（1）液压缸设计：在确保密封性的前提下，尽量选用橡胶与氟化塑料组合的密封件，以减小摩擦阻力，提高液压缸的寿命。

（2）定位点的缓冲与制动：因为机器人手臂的运动惯量比较大，在定位点前要加缓冲与制动机构或锁定装置。

（3）对惯量比较大的运动轴的液压缸两侧最好加设安全保护回路，防止因碰撞过载而损坏机械结构。

（4）液压源应该加蓄能器，以利于多运动轴同时动作或加速运动提供瞬时能量储备。

2.伺服控制机器人的液压系统

具有点位控制和连续轨迹控制功能的工业机器人，需要采用电-液伺服驱动系统。其电-液转换和功率放大元件有电-液伺服阀，电-液比例阀，电-液脉冲阀等。由以上各类阀件与液压动力机构可组成电-液伺服马达，电-液伺服液压缸，电-液步进马达，电-液步进液压缸，液压回转伺服执行器（RSA-Rotory Serve Actuator）等各种电-液伺服动力机构。根据结构设计的需要，电-液伺服马达和电-液伺服液压缸可以是分离式，也可以是组合成为一体。如果是分离式的连接方式，要尽量缩短连接管路，这样可以减少伺服阀到液压机构间的管道容积，以增大液压固有频率。 在机器人的驱动系统中，常用的电-液伺服动力机构是电-液伺服

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中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。

2.8 机器人手臂的平衡机构设计

直角坐标型、圆柱坐标型和球坐标型机器人可以通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身可能达到平衡。关节机器人手臂一般都需要平衡装置，以减小驱动器的负荷，同时缩短启动时间。

2.8.1机器人平衡机构的形式

通常，机器人所采用的平衡机构主要有以下几种： 1.配重平衡机构

这种平衡装置结构简单，平衡效果好，易于调整，工作可靠，但增加了机器人手臂的惯量与关节轴的载荷。一般在机器人手臂的不平衡力矩比较小的情况下采用这种平衡机构。

2.弹簧平衡机构

弹簧平衡机构，机构简单、造价低、工作可靠、平衡效果好、易维修，因此应用广泛。

3.活塞推杆平衡机构

活塞式平衡系统有液压和气动两种：液压平衡系统平衡力大，体积小，有一定的阻尼作用；气动平衡系统，具有很好的阻尼作用，但体积比较大。活塞式平衡需要配备有专门的液压或气动装置，系统复杂，因此造价高，设计、安装和调试都增加了难度，但是平衡效果好。用于配重平衡、弹簧平衡满足不了工作要求的场合。

2.8.2设计具体采用的方案

因为本设计机械手采用圆柱坐标型的结构，而且在手臂的结构设计以及整个机械手的设计和布局中都重点考虑了机械手手臂的平衡问题，通过合理布局，优化设计结构，使得手臂本身尽可能达到平衡。若实际工作中平衡结果不满足，则设置弹簧平衡机构进行平衡。

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第3章 理论分析和设计计算

3.1液压传动系统设计计算

3.1.1确定液压系统基本方案

液压执行元件大体分为液压缸和液压马达，前者实现直线运动，后者实现回转运动。二者的特点及适用场合见表3-1：

表3-1 名 称 双活塞杆液压缸 单活塞杆液压缸 柱塞缸 摆动缸 齿轮马达 叶片马达 摆线齿轮马达 轴向柱塞马达 径向柱塞马达 特 点 双向对称 有效工作面积大、 双向不对称 结构简单 单叶片式小于360 双叶片式小于180 结构简单、价格便宜 体积小、转动惯量小 体积小、输出转局大 运动平稳、转矩大、转速范围宽 转速低，结构复杂，输出转矩大 适 用 场 合 双向工作的往复场合 往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进 单向工作，靠重力或其它外力返回 小于360的摆动； 小于180的摆动 高转速、低转矩的回转运动 高速低转矩、动作灵敏的回转运动 低速、小功率大转矩的回转运动 大转矩的回转运动 低速大转矩回转运动

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本设计因为机械手的形式为圆柱坐标形式，具有3个自由度，一个转动，两个移动自由度。同时考虑机械手的工作载荷和工作现场环境对机械手布局以及定位精度的具体要求以及计算机的控制的因素，腰部的回转用电机驱动实现，剩下的两个运动均为直线运动。因此，机械手的水平手臂和垂直手臂都采用单活塞杆液压缸，来实现直线往复运动。

3.1.2拟定液压执行元件运动控制回路

液压执行元件确定后，其运动方向和运动速度的控制是液压回路的核心问题。

方向控制是用换向阀或是逻辑控制单元来实现。对于一般中小流量的液压系统，通过换向阀的有机组合来实现所要求的动作。对高压大流量的系统，多采用插装阀与先导控制阀的逻辑组合来实现。 速度控制通过改变液压执行元件输入或输出的流量或者利用密封空间的容积变化来实现。相应的调速方式有节流调速、容积调速以及二者结合的容积节流调速。

本设计的方向控制采用电磁换向阀来实现，而速度的控制主要采用节流调速，主要方式是采用比较简单的节流阀来实现。

3.1.3液压源系统的设计

液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。容积调速系统多用变量泵供油，用安全阀来限定系统的最高压力。

油液的净化装置是液压源中不可缺的元件。一般泵的入口要装粗滤油器，进入系统的油液根据要求，通过精滤油器再次过滤。为防止系统中杂质流回油箱，可在回油路上设置磁过滤器。根据液压设备所处的环境及对温升的要求，还要考虑加热、冷却等措施。 本设计的液压系统采用定量泵供油，由溢流阀V1来调定系统压力。为了保证液压油的洁净，避免液压油带入污染物，故在油泵的入口安装粗过滤器，而在油泵的出口安装精过滤器对循环的液压油进行净化。

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3.1.4绘制液压系统图

本机械手的液压系统图如图3-1所示，

它拥有垂直手臂的上升、下降，水平伸缩缸/的前伸、后缩，以及执行手爪的夹紧、张开三个执行机构。

其中，泵由三相交流异步电动机M拖动；系统压力由溢流阀V1调定；1DT的得失电决定了动力源的投入与摘除。

考虑到手爪的工作要求轻缓抓取、迅速松开，系统采用了节流效果不等的两个单向节流阀。当5DT得电时，工作液体经由节流阀V5进入柱塞缸，实现手爪的轻缓抓紧；当6DT失电时，工作液体进入柱塞缸中，实现手爪迅速松开。

另外，由于机械手垂直升降缸在工作时其下降方向与负荷重力作用方向一致，下降时有使运动速度加快的趋势，为使运动过程的平稳，同时尽量减小冲击、振动，保证系统的安全性，采用V2构成的平衡回路相升降油缸下腔提供一定的排油背压，以平衡重力负载。

执行手爪柱塞缸感应式位移传感器水平伸缩缸垂直升降缸电液伺服阀

图3-1 机械手的液压系统原理图

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3.1.5确定液压系统的主要参数

液压系统的主要参数是压力和流量，他们是设计液压系统，选择液压元件的主要依据。压力决定于外载荷，流量取决于液压执行元件的运动速度和结构尺寸。

1.计算液压缸的总机械载荷

根据机构的工作情况液压缸所受的总机械载荷为

F?Fw?Fm?Fsf?Ff?Fb （3-1）

式中， Fw-----为外加的载荷，因为水平方无外载荷，故为0；

Fm------为活塞上所受的惯性力；

Fsf------为密封阻力；

Ff------为导向装置的摩擦阻力； Fb------为回油被压形成的阻力； （1）Fm的计算

G?v? （3-2） g?t式中， G------为液压缸所要移动的总重量，取为100KG；

Fm?g------为重力加速度， 9.81m/s2；

?v------为速度变化量；

?t------启动或制动时间，一般为0.01~0.5s，取0.2s

将各值带入上式，得：Fm=1.02N

（2）Fsf的计算

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??p------对于进油路采用调速阀的系统，可估为（0.5~1.5）

1MPa，这里取为1MPa。

因此，可以确定液压泵的实际工作压力为

pp?4?1?5MPa （3-13）

（2）确定液压泵的流量

qp?K?qmax （3-14）

式中，K------为泄露因数，取1.1；

qmax-----为机械手工作时最大流量。

qmax??A?v （3-15）

L/min 经计算得 qma=3.140x带入上式得 qp?1.1?3.140?3.454L/min

（3）确定液压泵电机的功率

P工?2?pp?qmax60?? （3-16）

式中，qmax------为最大运动速度下所需的流量，同前，取为

3.140L/min；

pp-------液压泵实际工作压力，5MPa； ?------为液压泵总效率，取为0.8； 带入数据计算得： P工=0.654kw。

2.控制元件的选择

根据系统最高工作压力和通过该阀的最大流量，在标准元件的

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产品样本中选取各控制元件。这部分在考虑具体的作业时根据详细的要求再结合具体情况进行详细，这里暂从略。

3.油管及其他辅助装置的选择

（1）查阅设计手册，选择油管公称通径、外径、壁厚参数

液压泵出口流量以3.140L/MIN计，选取?6；液压泵吸油管稍微粗些，选择?8；其余都选为?5；

（2）确定油箱的容量

一般取泵流量的3~5倍，这里取为5倍，有效容积为

（3-17） V?5?qp?5?3.2?16L

3.1.7液压系统性能的验算

绘制液压系统图后，进行压力损失验算。因为该液压系统比较

简单，该项验算从略。本系统采用液压回路简单，效率比较高，功率小，发热少，油箱容量取得较大，因此，不再进行温升验算。

3.2 电机选型有关参数计算

3.2.1有关参数的计算

1.若传动负载作直线运动（通过滚珠丝杠）则有 负载额定功率： P0???W?VL （3-18）

6?104??22GDL?NL负载加速功率： Pa? （3-19） 33577?10?ta负载力矩（折算到电机轴）：

TL???W?VL （3-20）

2??NM??·37·

负载GD2（折算到电机轴）：

2GDL?W（?VL2 （3-21） ）??NM起动时间：

t(GD2GD2M?L)?NMa?375(T P?TL)制动时间：

t(GD22M?GDL)?NMd?375(TT P?L)2.若传动负载作回转运动 负载额定功率： P1?NL0?T9550?? 22负载加速功率： PGDL?NLa?3577?103?t a负载力矩（折算到电机轴）：

TLL?NN?Tl M??负载GD（折算到电机轴）：

GD2L?(NL2N)GD2l M起动时间：

t(GD22M?GDL)?NMa?375(T?T PL)制动时间：

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（3-22） （3-23） （3-24）

3-25） （3-26）

（

3-27） （3-28） （ 22(GDM?GDL)?NM （3-29） td?375(TP?TL) 式中，P0-----为额定功率，KW；

Pa-----为加速功率，KW；

Nl-----为负载轴回转速度，r/min； NM-----为电机轴回转速度，r/min；

Vl-----为负载的速度，m/min； ?-----为减速机效率； ?-----为摩擦系数；

，N?m； Tl-----为负载转矩（负载轴）

Tp-----为电机启动最大转矩，N?m；

，N?m； TL-----为负载转矩（折算到电机轴上）

GDl2-----为负载的GD2，N?m2；

2-----为负载GD2（折算到电机轴上），N?m2； GDL2-----为电机的GD2，N?m2； GDM具体到本设计，因为步进电机是驱动腰部的回转，传递运动形

式属于第二种。下面进行具体的计算。

因为腰部回转运动只存在摩擦力矩，在回转圆周方向上不存在其他的转矩，则在回转轴上有；

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Tl?Ff?R?G?f?R （3-30）

式中，f-----为滚动轴承摩擦系数，取0.005；

G-----为机械手本身与负载的重量之和，取100KG；

R-----为回转轴上传动大齿轮分度圆半径，R=240mm；

带入数据，计算得 Tl=0.12N?m；

同时，腰部回转速度定为Nl=5r/min；传动比定为1/120；

2且，GDl?mgD 带入数据得： GDl=10.45667N?m2。

将其带入上（3-24）~（3-30）式，得：

Pa?0.006 P0?1.3227W；W8；启动时间 ta?0.002962s?3ms； 制动时间 td?3ms；

折算到电机轴上的负载转矩为：TL?0.001052N3?m。

3.2.2电机型号的选择

根据以上结果，综合考虑各种因素，选择国产北京和利时电机

技术有限公司（原北京四通电机公司）的步进电机，具体型号为： 110BYG550B-SAKRMA-0301 或 110BYG550B-SAKRMT-0301 或 110BYG550B-BAKRMT-0301,

该步进电机高转矩，低振动，综合性能很好。下图为

110BYG550B-SAKRMA-0301型步进电机矩频特性曲线和相关技术参数。

驱动方式：升频升压； 步距角：0.36°；

其中步距角0.36，同时因为腰部齿轮传动比为1：120，步进电机经过减速后传递到回转轴，回转轴实际的步距角将为电机实际步

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