高速數(shù)控齒輪磨床的一種無噪音磨削主軸Takashi Emura ，LeiWang， Hisashi Nakamura ， Masashi Yamanaka 和 Yasushi Teshigawara精密工程和機械部, Tohoku 大學(xué)Aoba ， Aramaki ， Aobaks ，仙臺,980-77 日本摘要本文作者為汽車工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC(數(shù)控型) 齒輪磨床。 這一數(shù)控機器需要在磨削主軸和運轉(zhuǎn)主軸間保持高度同步性。我們必須使用高壓驅(qū)動電動機和驅(qū)動變壓器來滿足高速磨床的規(guī)格。然而, 由于高壓驅(qū)動變壓器在PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))頻率上會引起很大的電波，并產(chǎn)生強烈噪音，所以很難在主軸之間保持穩(wěn)定的同步云運轉(zhuǎn)。因此，作者試著使用二相型PLL制成無噪音高速同步主軸，并試著通過一種電流過濾器來減少電波引起的噪音。本文將描述減少噪音的方法及其實驗結(jié)果。1. 介紹齒輪研磨需要花費極多的磨削時間，而且在齒輪的大批量生產(chǎn)中會阻礙生產(chǎn)效率的提高。因此，作者為汽車工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC齒輪磨床，這正是效率最高的齒輪生產(chǎn)工廠。這種機器需要二大高壓伺服電動機來驅(qū)動磨削主軸和運轉(zhuǎn)主軸。這兩種驅(qū)動電動機也必須有高度同步控制且能高速運轉(zhuǎn)。作者使用高壓高速伺服電動機來驅(qū)動主軸。舉例來說, 磨削主軸的驅(qū)動電動機有額定的功率22kw，額定的輸出量扭矩22N-m，及最大轉(zhuǎn)速10000r/min。運轉(zhuǎn)主軸的驅(qū)動電動機有額定功率16kw，額定輸出量扭矩82N-m ,及最大轉(zhuǎn)速2000r/min。這些驅(qū)動電動機由PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))型變壓驅(qū)動器帶動,而這種PWM型高壓變壓器會在PWM頻率的電流中引起很大的電波。由于這種強大電波引發(fā)了強烈噪音，將影響控制系統(tǒng)，難以實現(xiàn)高度同步控制。因此，作者試著使用二相型 PLL(分步鎖槽) 制成無噪音高速同步主軸，并試著通過一種電流過濾器來減少電波。目前已做了大量實驗確認無噪音系統(tǒng)的功效。本文將通過實驗結(jié)果來描述減少噪音、制造高速、高度同步性主軸的方法。2. PWM引起的噪音磨削主軸的噪音問題比運轉(zhuǎn)主軸問題嚴重，因為磨削主軸的額定電壓比運轉(zhuǎn)主軸大。因此下面我們主要來探討磨削主軸的情況。磨削主軸由無刷驅(qū)動電動機帶動。由于驅(qū)動變壓器的最大輸出電壓最高限于200v，驅(qū)動電動機的額定功率是22kw，所以磁場線圈的電流在波峰必須超過200A。由于這個強大電流, 磁場線圈的金屬線直徑變大，由于運轉(zhuǎn)空間的限制，轉(zhuǎn)動次變少。于是磁場線圈的電感僅限于一個非常小的數(shù)值。一個階段的電感測量值約為1kHz有30 pH ，在PWM 頻率中減少到一個非常小的數(shù)值，25kH中低于1.5pH。如上所述，因為線圈電感極其小，它的電力時間系數(shù)非常小。這就意味著我們能很好的控制它。然而，這個極其小的電力時間系數(shù)在PMW頻率中引起很大的電波，這個電波就造成了強烈的噪音。強烈噪音給控制系統(tǒng)帶來了嚴重的問題。為了分析電波，我們進行電動電流的數(shù)字摹擬。圖l(一)是用于模擬的簡化同步電動機模型,其中線圈電感L是1.44pH,線圈電阻R是0.15歐,直流線電壓E是200V。伺服放大器的PMW輸出電壓Eu，Ev，和Ew是由U，V，W三相電的終端來提供。圖1（b）展示了PWM的波形圖，它是通過用頻率為25KHz的三角形波eb來比較 和 的電壓而得到的。圖2（a）是一個模擬結(jié)果的實例，伺服放大器的輸出頻率為300Hz。如圖2（a）所示，電機電流與大的噪音交迭。圖2（b）給出了通過比較線圈電流的模擬和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的詳細情況。而模擬結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果完全吻合。因而模擬結(jié)果表明了電機電流在PMW頻率下有很大的電流波動。這個模擬非常清楚地表明伺服電機和電壓放大器對線圈感應(yīng)系數(shù)的減小產(chǎn)生了很強的噪音。由于鐵心的磁場特性，如此大功率的電機，線圈電感在高的轉(zhuǎn)換頻率下急劇減小。由轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的噪音是這種數(shù)控磨床的一格非常嚴重的問題。為了達到高精度同步控制，這也是我們必須克服的問題。因此，接下來的部分將描述二種不同的方法來克服轉(zhuǎn)換噪音的問題。第部分將介紹二相型PLL的同步控制方法。這種方法可以使系統(tǒng)在強的噪音環(huán)境下獲得高精度和高速同步控制。第 部分將給出使用大功率濾波器來抑制轉(zhuǎn)換噪音的討論和試驗結(jié)果。3. 二相型PLL同步系統(tǒng)這種齒輪磨床需要高度、高速同步控制。通常，我們都使用一種高辨識率、高速的入碼器來實現(xiàn)其高度、高速同步控制，因為這種入碼器能輸出二相正弦電波。然而,由于這種二相正弦電波的電壓非常小，在上述強烈噪音環(huán)境中很難檢測出該電壓是否不存在噪音問題。這就意味著我們不能夠使用傳統(tǒng)的高度同步系統(tǒng)。因此，作者在這里的同步系統(tǒng)中采用了二相型PLL 。首次提出使用二相型PLL的是Emura[l] ，它消除噪音的能力已經(jīng)得到了認證[2]-[4]。圖3是高速數(shù)控齒輪磨床中磨削主軸與運轉(zhuǎn)主軸之間的高速同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，兩個驅(qū)動主軸都是由二相型PLL控制的。指令脈沖發(fā)電機產(chǎn)生二個脈沖列，它們的頻率比是磨削主軸與運轉(zhuǎn)主軸的速度比。二相型PLL 的局部控制器就控制主軸精確執(zhí)行每個指令脈沖。通過使用二相型PLL, 高速、高度同步控制得以真正實現(xiàn)。二相型PLL的二個內(nèi)插器導(dǎo)入高辨析率的入碼器信號，齒輪轉(zhuǎn)角內(nèi)導(dǎo)入的輸出脈沖被送到驅(qū)動變壓器。A. 應(yīng)用二相型PLL的內(nèi)插器的扶輪轉(zhuǎn)角高辨析度檢測我們這次用的驅(qū)動變壓器需要利用一個二相型矩形信號來產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)角同步的三相磁場。然而,由于電流感應(yīng)引起的噪音，我們不能使用傳統(tǒng)的比測儀型內(nèi)插器。于是,作者設(shè)計出特殊的內(nèi)插器，如圖4所示，使用二相型PLL 來檢測主軸的扶輪轉(zhuǎn)角。這一內(nèi)插器的電路主要依照[3]所描述的樣子來設(shè)計的,因此一下只對他們進行簡短的描述。輸入信號是從入碼器獲得的一個二相正弦波(sin Bi &,cos Bi)。擺動器(VCO) 控制的電壓則產(chǎn)生一個二相正弦波(sin B0 &,cos B0)的追蹤信號。這個 VCO正是用來追蹤輸入信號的。輸入信號與追蹤信號的相差則由相位檢查器(PD)來計算?；芈窞V波器(LF)轉(zhuǎn)移相位檢查器的輸出結(jié)果，輸入到VCO。包含在VCO中的V/F轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生頻率比例的脈沖列，并發(fā)送到輸入電壓。脈沖序列是用一個二進制的計數(shù)器來計數(shù)，這個計數(shù)器的輸出又儲存到一個ROM里。這樣二相正弦曲線波以數(shù)字量的形式寫入到ROM，當(dāng)其被訪問時又從這里輸出。D/A轉(zhuǎn)換器把ROM的輸出轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電壓量。正弦曲線波是受約束的以至于通過控制相位部位0來追蹤輸入的二相位正弦曲線信號。這就意味著PLL處于鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)下，從V/F來的脈沖變成以內(nèi)插值替換的脈沖輸入信號。這是譯碼器的旋轉(zhuǎn)角度。二相型PLL和傳統(tǒng)意義的PLL的最大的不同點在于我們可以常常通過輸入信號來獲得真正的二相正弦曲線波。這就意味著它有卓越的噪音抑制特性和寬范圍的輸入頻率。這種電路也可以當(dāng)電機改變它的旋轉(zhuǎn)方向時鎖定。高精度的光傳感器被用于探測軸的旋轉(zhuǎn)角度。磨削心軸的光學(xué)縫隙的數(shù)量為1800，工作軸的數(shù)量是9000。我們可以從傳感器那里獲得二相正弦曲線波。發(fā)展的內(nèi)插器把他們分成128份，并輸出二相矩形脈沖信號。因此分別分解成每份 和 最大頻率上升到38.4MHz。脈沖提供給功率放大器也用于監(jiān)控同步控制。在[3]里。一個磁性的具有感應(yīng)能力的探頭被用作旋轉(zhuǎn)傳感器。因為感應(yīng)類型的探頭不能在低速的條件下工作，內(nèi)插器也不能在轉(zhuǎn)速低于300r/min的速度下工作。然而，這個新的組合起來的系統(tǒng)卻可以在任何低于10000r/m的磨削心軸速度，和低于2000r/min的工作主軸下工作。當(dāng)然，我們也可以使軸反轉(zhuǎn)。一般說來，以如此的高精度和高頻率來監(jiān)測不可避免的會受到噪音的影響，而且會很難達到穩(wěn)定的控制。然后新的內(nèi)插器可以在沒有任何誤動作的情況下測出回轉(zhuǎn)體的角度。圖5圖解了一個實例的試驗結(jié)果。在圖5里，輸入信號就是從傳感器得到的信號，追蹤信號就是VCO的正弦曲線波。就如圖5所示，從傳感器獲得的信號被強的噪音干擾，然而，正弦曲線波卻正好為輸入信號的軌跡沒有任何失真。因為它是由VCO而產(chǎn)生的，VCO的輸出波形是無失真的正弦曲線波。我們可以從V/F轉(zhuǎn)換器的輸出脈沖來獲得以內(nèi)插值代換的脈沖。正弦曲線波形是由V/F轉(zhuǎn)換器構(gòu)造的。B．二相型PLL伺服控制器伺服控制器也是用二相型PLL方法。示意圖如圖6。畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書院(系)： 專業(yè)： 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名課題名稱 R175 型柴油機機體加工自動線上用多功能液壓機械手設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)（1）設(shè)計內(nèi)容：1、查閱有關(guān)的工業(yè)機械手設(shè)計資料，確定設(shè)計柴油機機體多功能機械手的主要技術(shù)參數(shù)。2、進行柴油機機體自動線上用多功能機械手總體方案設(shè)計。3、完成多功能機械手抓取機構(gòu)和送放機構(gòu)的機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計。4、完成機械手液壓系統(tǒng)或電器控制系統(tǒng)設(shè)計（2）任務(wù)和要求：1、根據(jù)總體設(shè)計方案，繪制出多功能機械手總體外觀圖一張（三維計算機圖） 。2、進行手臂驅(qū)動力計算，繪制出機械手機身機械結(jié)構(gòu)圖一張（A 計算0機圖） 。3、進行腕部驅(qū)動力計算，繪制出機械手腕部機械結(jié)構(gòu)圖一張（A 計算0機圖） 。4、根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案，繪制出液壓系統(tǒng)一張（A 計算機圖） 。15、繪制出機身零件圖一張（根據(jù)情況由教師指定） 。6、科技譯文（不少于 2000 漢字） 。7、編寫畢業(yè)設(shè)計說明書一套（不少于二萬字，有英文摘要，全部用計算機打出） 。擬達到的要求或技術(shù)指標(biāo)1、最大抓取重量 15kg；2、工件最大尺寸（長×寬×高）：250×170×140mm；3、最大操作范圍：提升高度 1.5m；回轉(zhuǎn)半徑 1m；行走范圍 30m；?4、機械手自由度：4—5 個；5、定位精度：0.5—1mm；6、裝料高度：1050mm；輸送軌道寬度 350mm；輸送速度 20m/min；7、生產(chǎn)綱領(lǐng)：10 萬件/年；生產(chǎn)節(jié)拍：3min/件；起止日期 工作內(nèi)容課題調(diào)研，收集資料，擬定總體方案，畫總圖，完成開題報告。機械部分設(shè)計、計算，畫機械手手腕、手臂、機身結(jié)構(gòu)圖，完成中期檢查。 控制系統(tǒng)設(shè)計，畫液壓系統(tǒng)圖一張進度安排整理設(shè)計說明書及翻譯科技外文，準(zhǔn)備答辯。主要參考資料[1] 成大先.機械設(shè)計手冊第三版第 2 卷.化學(xué)工業(yè)出版社,2001.4[2] 吳振彪.工業(yè)機器人 .武漢:華中科技大學(xué)出版社,2003.1[3] 王承義.機械手及其應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社，1981.6[4] 沈興全、吳秀玲 .液壓傳動和控制.北京:國防工業(yè)出版社，2005.1[5] 孫桓、陳作模 .機械原理第六版.北京:高等教育出版社，2000.8[6] 濮良貴、紀(jì)名剛 .機械設(shè)計第七版.北京:高等教育出版社，2004.5[7] 諸靜.機器人與控制技術(shù).杭州:浙江大學(xué)出版社，1991[8] 陳鐵鳴主編 .新編機械設(shè)計課程設(shè)計圖冊 [M]. 北京：高等教育出版社，2003[9] 甘永立主編.幾何量公差與檢測主編.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.7[10] 于永泗、齊民.機械工程材料第五版.大連：大連理工大學(xué)出版社，2003.5[11] 周開勤. 機械零件手冊 [M] .北京：高等教育出版社，1989[12] 孔慶華主編 .機械設(shè)計基礎(chǔ) [M] .上海：同濟大學(xué)出版社，2004.7[13] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué).北京；高等教育出版社，2003.7[14] 劉鴻文主編 .材料力學(xué) [M] .北京：高等教育出版社，2004.1[15] 鄒慧君主編 .機械原理課程設(shè)計手冊 [M] .北京：高等教育出版社，1998.6教研室意見簽名：年 月 日院(系)主管領(lǐng)導(dǎo)意見簽名：年 月 日- 1 -（20**屆）本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）資料學(xué) 院、系：專 業(yè)：學(xué) 生 姓 名：班 級：學(xué)號 指導(dǎo)教師姓名：職稱 最終評定成績：二○**年九月制- 2 -20**屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）資料第一部分 過程管理資料- 3 -20**屆畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書院(系)： 專業(yè)： 指導(dǎo)教師 學(xué)生姓名課題名稱 R175 型柴油機機體加工自動線上用多功能液壓機械手設(shè)計內(nèi)容及任務(wù)（1）設(shè)計內(nèi)容：1、查閱有關(guān)的工業(yè)機械手設(shè)計資料，確定設(shè)計柴油機機體多功能機械手的主要技術(shù)參數(shù)。2、進行柴油機機體自動線上用多功能機械手總體方案設(shè)計。3、完成多功能機械手抓取機構(gòu)和送放機構(gòu)的機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計。4、完成機械手液壓系統(tǒng)或電器控制系統(tǒng)設(shè)計（2）任務(wù)和要求：1、根據(jù)總體設(shè)計方案，繪制出多功能機械手總體外觀圖一張（三維計算機圖） 。2、進行手臂驅(qū)動力計算，繪制出機械手機身機械結(jié)構(gòu)圖一張（A 計算機圖）0。3、進行腕部驅(qū)動力計算，繪制出機械手腕部機械結(jié)構(gòu)圖一張（A 計算機圖）0。4、根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案，繪制出液壓系統(tǒng)一張（A 計算機圖） 。15、繪制出機身零件圖一張（根據(jù)情況由教師指定） 。6、科技譯文（不少于 2000 漢字） 。7、編寫畢業(yè)設(shè)計說明書一套（不少于二萬字，有英文摘要，全部用計算機打出） 。擬達到的要求或技術(shù)指標(biāo)1、最大抓取重量 15kg；2、工件最大尺寸（長×寬×高）：250×170×140mm；3、最大操作范圍：提升高度 1.5m；回轉(zhuǎn)半徑 1m；行走范圍 30m；?4、機械手自由度：4—5 個；5、定位精度：0.5—1mm；6、裝料高度：1050mm；輸送軌道寬度 350mm；輸送速度 20m/min；7、生產(chǎn)綱領(lǐng)：10 萬件/年；生產(chǎn)節(jié)拍：3min/件；- 4 -起止日期 工作內(nèi)容20**.12—20**.2 課題調(diào)研，收集資料，擬定總體方案，畫總圖，完成開題報告。20**.3—20**.4 機械部分設(shè)計、計算，畫機械手手腕、手臂、機身結(jié)構(gòu)圖，完成中期檢查。 20**.4—20**.5 控制系統(tǒng)設(shè)計，畫液壓系統(tǒng)圖一張進度安排20**.5—20**.6 整理設(shè)計說明書及翻譯科技外文，準(zhǔn)備答辯。- 5 -主要參考資料[1] 成大先.機械設(shè)計手冊第三版第 2 卷.化學(xué)工業(yè)出版社,2001.4[2] 吳振彪.工業(yè)機器人 .武漢:華中科技大學(xué)出版社,2003.1[3] 王承義.機械手及其應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社，1981.6[4] 沈興全、吳秀玲 .液壓傳動和控制.北京:國防工業(yè)出版社，2005.1[5] 孫桓、陳作模 .機械原理第六版.北京:高等教育出版社，2000.8[6] 濮良貴、紀(jì)名剛 .機械設(shè)計第七版.北京:高等教育出版社，2004.5[7] 諸靜.機器人與控制技術(shù).杭州:浙江大學(xué)出版社，1991[8] 陳鐵鳴主編 .新編機械設(shè)計課程設(shè)計圖冊 [M]. 北京：高等教育出版社，2003[9] 甘永立主編.幾何量公差與檢測主編.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.7[10] 于永泗、齊民.機械工程材料第五版.大連：大連理工大學(xué)出版社，2003.5[11] 周開勤. 機械零件手冊 [M] .北京：高等教育出版社，1989[12] 孔慶華主編 .機械設(shè)計基礎(chǔ) [M] .上海：同濟大學(xué)出版社，2004.7[13] 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室.理論力學(xué).北京；高等教育出版社，2003.7[14] 劉鴻文主編 .材料力學(xué) [M] .北京：高等教育出版社，2004.1[15] 鄒慧君主編.機械原理課程設(shè)計手冊[M] .北京：高等教育出版社，1998.6教研室意見簽名：年 月 日院(系)主管領(lǐng)導(dǎo)意見簽名：年 月 日- 6 -- 7 -本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告（20**屆）學(xué) 院、系： 專 業(yè)： 學(xué) 生 姓 名： 班 級： 學(xué)號 指導(dǎo)教師姓名： 職稱 20**年 12 月 22 日- 8 -題目：R175 型柴油機機體加工自動線上用多功能液壓機械手1. 結(jié)合課題任務(wù)情況，查閱文獻資料，撰寫 1500～2000 字左右的文獻綜述。在自動化生產(chǎn)領(lǐng)域中，工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的。工業(yè)機械手的是從工業(yè)機器人中分支出來的。其特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)具有準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。機械手的設(shè)計原理是以人的手為基礎(chǔ)，以機械拉來實現(xiàn)人的動作，它的動作由以下四部分來實現(xiàn)：自由度的旋轉(zhuǎn)、肩的前后動作、肘的上下動作、腕(手)的動作。機械手由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動-傳動機構(gòu)、控制系統(tǒng)、智能系統(tǒng)、遠程診斷監(jiān)控系統(tǒng)五部分組成。驅(qū)動- 傳動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動系統(tǒng)中可以分：機械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，其中液壓操作力最大。早期的機械手的結(jié)構(gòu)和功能都比較簡單，專用性很強，僅配合某臺主機完成輔助性工作，如抓取工件、上料下料、換夾刀具等。這種機械手稱為專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能夠獨立地按控制程序、自動重復(fù)操作的機械手，這種機械手具有很快地改變程序的功能，適應(yīng)性很強，在中小批量，多品種的工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。這種機械手稱為通用機械手，通用機械手又稱為“工業(yè)機器人” ，即第一代機器人。機器人在此基礎(chǔ)上進一步發(fā)展，出現(xiàn)了具有某些感官功能（如視覺、觸覺、聽覺）的機器人，稱為第二代機器人，以后又出現(xiàn)了具有某些思維和語言功能的智能型機器人，稱為第三代機器人。工業(yè)機械手可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度，改善勞動條件、避免人身事故，減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)，工業(yè)機械手從根本上減輕了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)率水平。綜上所述，有效地應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。從機器人誕生到本世紀(jì) 80 年代初，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一個長期緩慢的發(fā)展過程。到 90 年代，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了長足的進展。目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。目前的研究內(nèi)容主要集中在：工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、機器人控制技術(shù)、多傳感技術(shù)、機器人遙控及監(jiān)控技術(shù),機器人半自主和自主技術(shù)、虛擬機器人技術(shù)、多智能體調(diào)控制技術(shù)、軟機器人技術(shù)、仿人和仿生技術(shù)、微型和微小機器人技術(shù)。其中微型和微小機器人技- 9 -術(shù)是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命， 并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。在我國對此進行了深入的研究，如徐衛(wèi)平和張玉茹發(fā)表的《六自由度微動機構(gòu)的運動分析》對六自由度微動機構(gòu)進行了位移分析并為其結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了計算依據(jù)。還有劉辛軍、高峰和汪勁松發(fā)表的《并聯(lián)六自由度微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法》研究了微動機器人機構(gòu)的設(shè)計方法，建立了并聯(lián)六自由度微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的空間模型，并分析了該微動機器人的機構(gòu)尺寸與各向同性、剛度等性能指標(biāo)的關(guān)系得到了一系列性能圖譜，從各圖譜中可以看出各項性能指標(biāo)在空間模型設(shè)計參數(shù)空間中的分布規(guī)律，這有助于設(shè)計者根據(jù)性能指標(biāo)來設(shè)計該微動機器人的機構(gòu)尺寸，是探討微動機器人機構(gòu)設(shè)計的有效分析工具。在以后，工業(yè)機器人會越來越靈活，功能會越來越多，適應(yīng)性越來越廣，更好的為工業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。2.選題依據(jù)、主要研究內(nèi)容、研究思路及方案。(1)、依據(jù)：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)率水平的提高，人們對產(chǎn)品精度和質(zhì)量的要求越來越來嚴格。因此，企業(yè)生產(chǎn)線的自動化程度要求越來越高，機械手也越來越來多地被應(yīng)用，工業(yè)機械手已成為多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)線上必不可少的設(shè)備。工業(yè)機械手可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度，改善勞動條件、避免人身事故，減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)，工業(yè)機械手從根本上減輕了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)率水平。因此，有效地應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。(2)、研究的內(nèi)容：本次設(shè)計主要研究的是柴油機機體加工線上用多功能機械手，使其完成上料、轉(zhuǎn)位和翻轉(zhuǎn)等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作。(3)、研究思路及技術(shù)方案：本工業(yè)機械手機身采用機座式，坐標(biāo)形式為球坐標(biāo)式，使用液壓驅(qū)動，選用雙聯(lián)葉片泵，具有立柱旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂俯仰、腕部轉(zhuǎn)動和腕部擺動 5 個自由度，定位采用機械擋塊定位，定位精度為 0.5～1mm，采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。- 10 -3.工作進度及具體安排。20**.12～20**.02 課題調(diào)研，收集資料，擬定總體方案，畫總圖，完成開題報告。20**.03～20**.04 機械部分設(shè)計、計算，畫機械手手腕、手臂、機身結(jié)構(gòu)圖，完成中期檢查。 20**.04～20**.05 控制系統(tǒng)設(shè)計，畫液壓系統(tǒng)圖一張20**.05～20**.06 整理設(shè)計說明書及翻譯科技外文，準(zhǔn)備答辯。4.主要參考資料。[1] 吳振彪.工業(yè)機器人 .武漢:華中科技大學(xué)出版社,2003.1[2] 王承義.機械手及其應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社，1981.6[3] 沈興全、吳秀玲 .液壓傳動和控制.北京:國防工業(yè)出版社，2005.1[4] 孫桓、陳作模 .機械原理第六版.北京:高等教育出版社，2000.8[5] 濮良貴、紀(jì)名剛 .機械設(shè)計第七版.北京:高等教育出版社，2004.5[6]永立主編 .幾何量公差與檢測主編.上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2005.7[7]永泗、齊民.機械工程材料第五版.大連：大連理工大學(xué)出版社，2003.55.指導(dǎo)教師意見。指導(dǎo)教師： 年 月 日說明：開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學(xué)生答辯資格審查的依據(jù)材料之一，此報告應(yīng)在導(dǎo)師指導(dǎo)下，由學(xué)生填寫，將作為畢業(yè)設(shè)計（論文）成績考查的重要依據(jù)，經(jīng)導(dǎo)師審查- 11 -后簽署意見生效。本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告填表日期： 20** 年 月 日院（系） 班級 學(xué)生姓名課題名稱：R175 型柴油機機體加工自動線上用多功能液壓機械手設(shè)計課題主要任務(wù)：1、根據(jù)總體設(shè)計方案，繪制出多功能機械手總體外觀圖一張（三維計算機圖） 。2、進行手臂驅(qū)動力計算，繪制出機械手機身機械結(jié)構(gòu)圖一張（A 計算機圖） 。03、進行腕部驅(qū)動力計算，繪制出機械手腕部機械結(jié)構(gòu)圖一張（A 計算機圖） 。4、根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案，繪制出液壓系統(tǒng)一張（A 計算機圖） 。15、繪制出機身零件圖一張（根據(jù)情況由教師指定） 。6、科技譯文（不少于 2000 漢字） 。7、編寫畢業(yè)設(shè)計說明書一套（不少于二萬字，有英文摘要，全部用計算機打出）1、簡述開題以來所做的具體工作和取得的進展或成果調(diào)研、收集資料，熟悉課題內(nèi)容。擬定了總體方案，畫總圖。機械部分設(shè)計、計算，畫機械手手腕、手臂結(jié)構(gòu)圖2、下一步的主要研究任務(wù)，具體設(shè)想與安排機械部分設(shè)計、計算，機身結(jié)構(gòu)圖控制系統(tǒng)設(shè)計整理設(shè)計說明書及翻譯科技外文3、存在的具體問題本次設(shè)計的研究重點是機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計、尺寸的確定、控制部分的設(shè)計，難點是尺寸的確定和控制部分的設(shè)計- 12 -4、指導(dǎo)教師對該生前期研究工作的評價指導(dǎo)教師簽名：日 期：1320**屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）資料第二部分 設(shè)計說明書I摘 要本次設(shè)計的多功能機械手用于 R175 型柴油機機體加工自動線上，主要由手爪、手腕、手臂、機身、機座等組成，具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作。本機械手機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，其坐標(biāo)形式為球坐標(biāo)式，具有立柱旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂俯仰、腕部轉(zhuǎn)動和腕部擺動 5 個自由度。驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，選用雙聯(lián)葉片泵，系統(tǒng)壓力為2.5MPa，電機功率為 5.5KW，共有整機回轉(zhuǎn)油缸、手臂俯仰油缸、手臂伸縮油缸、手腕擺動油缸、手腕回轉(zhuǎn)油缸、手爪夾緊油缸 6 個液壓缸。送放機構(gòu)的液壓驅(qū)動系統(tǒng)是由液壓基本回路組成，包括調(diào)壓回路，緩沖回路，調(diào)速回路，換向回路.鎖緊回路，保壓回路。定位采用機械擋塊定位，定位精度為 0.5～1mm，采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。關(guān)鍵詞： 機械手，球坐標(biāo)，液壓，機械擋塊 ，點位控制IIABSTRACTThe current design of multifunctional mechanical hand used for R175-type diesel organisms automatic processing line, mainly consist of claw, wrists, arms, body, base and so on. With moving the materials, turnover and transfer spaces, and many other functions, the automatic line with the unified production rhythms and production program completed more moves. With the automatic production line rhythms and the production of complete reunification of the above movements, automatic line is around the machine arrange, the coordinates of the ball coordinates of the form, with huge rotary, extendable arm, arm pitch, hitting and hitting back five moves freedom; Driven approach to hydraulic-driven, and the choice of double leaves pumps, the system pressure to 2.5MPa, 5.5KW electrical power for a total of whole sets of rotation tank, arm tilt cylinders, fuel tanks extendable arm, wrist swing tank, wrist rotation tank, claw clip tank six hydraulic oil tank; positioning a piece of machinery turned positioning, positioning accuracy for 0.5~1mm, using control systems to achieve their point spaces control. Key words: Mechanical hand, the ball coordinates, hydraulic, mechanical turned pieces, control point spacesIII目 錄第 1 章 概述． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．11.1 執(zhí)行系統(tǒng).． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．11.2 驅(qū)動系統(tǒng)． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．11.3 控制系統(tǒng)． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．2第 2 章 方案設(shè)計及主要參數(shù)的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．32.1 方案設(shè)計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．32.2 主要參數(shù)的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．4第 3 章 抓取機構(gòu)的設(shè)計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．53.1 抓取機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．53.2 夾緊力（握力）的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．53.3 夾緊缸驅(qū)動力的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．73.4 夾鉗式抓取機構(gòu)的定位誤差分析． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．83.5 夾緊液壓缸主要尺寸的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．103.5.1 液壓缸內(nèi)徑 D 的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．103.5.2 活塞桿直徑 d 的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．113.5.3 液壓缸壁厚 δ 的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．123.5.4 液壓缸外徑 D0 及長度 l 的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．123.5.5 液壓缸行程 S 的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．12第 4 章 送放機構(gòu)的設(shè)IV計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．134.1 概述． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．134.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．144.2.1 液壓缸工作載荷的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．154.2.2 液壓缸推力的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．154.2.3 液壓缸流量的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．154.2.4 液壓缸基本尺寸的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．154.3 機械手的腕部設(shè)計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．164.3.1 腕部結(jié)構(gòu)形式的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．164.3.2 腕部回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．174.3.3 腕部回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．214.3.4 腕部擺動缸驅(qū)動力矩的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．224.3.5 腕部擺動液壓缸尺寸的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．244.4 機械手的手臂和機身的設(shè)計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．254.4.1 手臂和機身結(jié)構(gòu)形式的確定． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．254.4.2 手臂驅(qū)動力的計算． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．274.5 液壓系統(tǒng)元件的選擇． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．314.6 液壓系統(tǒng)回路的分析． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．314.6.1 調(diào)壓回路． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．314.6.2 緩沖回路． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．324.6.3 調(diào)速回路． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．324.6.4 換向回路． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．334.6.5 鎖緊回路． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．33V4.6.6 保壓回路． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．33第 5 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．34參考文獻． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．35致謝 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．36附錄 1：科技論文翻譯． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．37附錄 2：實習(xí)報告． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．496第 1 章 概述機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡、和要求實現(xiàn)自動抓取，搬運或操作動作的自動化機械裝置。在工業(yè)中應(yīng)用的機械手稱為“工業(yè)機械手” 。工業(yè)機械手由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)又可分為抓取，送放和機身三部分，如圖 1.1 所示1-執(zhí)行系統(tǒng) 2-控制系統(tǒng) 3-驅(qū)動系統(tǒng)a-手爪 b-手腕 c-手臂 d-機身 e-行走裝置圖 1.1 機械手的組成1.1 執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是直接握持物件實現(xiàn)所需的各種運動的機械部分，它包括以下機構(gòu)（1）抓取機構(gòu) 抓取機構(gòu)又稱手部或手爪，是機械手直接與被抓取物件接觸并施加約束和加緊力的部分。（2）送放機構(gòu) 送放機構(gòu)是執(zhí)行系統(tǒng)中將被抓取物件送放到目的地的機械部分。它主要由手臂、手腕、行走裝置等部分組成。手臂是用來支撐腕部和手部并改變被送放物件的空間位置的。它是機械手的主要運動部件。手腕主要是用來調(diào)整和改變被送放物件的方位，并連接手臂和手指。行走裝置的主要作用是擴大機械手的送放范圍，以適應(yīng)遠距離操作的需要。（3）機身 機身是機械手中用來支撐送放機構(gòu)的部件，也是安裝驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件。1.2 驅(qū)動系統(tǒng)7機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是為執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等多種形式。液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由油泵，油缸，油壓閥機管路組成。1.3 控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的功用是通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，并檢測其工作位置正確與否。它主要包括程序控制和位置檢測等部分.程序控制裝置指揮機械手按規(guī)定的程序進行運動,并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序,運動軌跡,運動速度,運動時間等),同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令,必要時它還可對機械手的動作進行監(jiān)視,當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時,即發(fā)出報警信號.信息檢測裝置主要用來控制機械手執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置,并隨時竟執(zhí)行系統(tǒng)的實際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進行比較,然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整,從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達到設(shè)定位置.8第 2 章 方案設(shè)計及主要參數(shù)的確定2.1 方案設(shè)計根據(jù)課題要求，機械手需要具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作，因此可采用以下多種設(shè)計方案。（1）直角坐標(biāo)系式，自動線成直線布置，機械手空中行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，這使設(shè)計復(fù)雜程度增加，運動質(zhì)量增大。（2）機身采用立柱式，機械手側(cè)面行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能，自動線仍呈直線布置。這種方案可以集中設(shè)計液壓站，易于實現(xiàn)電氣、油路定點連接，但占地面積大，手臂懸伸量較大。（3）機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工件等優(yōu)點，但配線要求較高。本設(shè)計擬采用第三種方案，如圖（1）所示。這是一種球坐標(biāo)式機械手，具有立柱旋轉(zhuǎn)⌒z、手臂伸縮→x、手臂俯仰⌒y、腕部轉(zhuǎn)動⌒x 和腕部擺動⌒y 五個自由度。9圖 2.1 球坐標(biāo)式機械手2.2 主要參數(shù)的確定（1）抓取重量 15kg（2）坐標(biāo)形式和自由度 坐標(biāo)形式為球坐標(biāo)式，有五個自由度。（3）工作行程工作行程由已知條件及方案分析確定：最大工作半徑 1500mm；手臂最大中心高 1000mm；手臂水平中心高 700mm；手臂伸縮行程 450mm；手臂回轉(zhuǎn)范圍：φ=0～270○；手腕回轉(zhuǎn)范圍：翻轉(zhuǎn) θ=0～180○；腕部擺動范圍：轉(zhuǎn)位 α=0～90○；手臂上下擺動角度：β=0～60○。（4）運動速度直線運動速度：手臂伸縮行程 l=450mm，運動時間 t=2s，則手臂伸縮速度為：v= =0.45/2=0.225m/s；tl回轉(zhuǎn)運動速度：定為 60○/s。（5）驅(qū)動方式驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動的方式。由于機械手操作時各缸不同時工作，手臂伸縮缸和手臂回轉(zhuǎn)缸所需的流量大，其余各缸所需的流量均較小，因此可選用雙聯(lián)葉片泵。在小流量時，只需高壓小流量供油，大流量低壓泵卸荷；在大流量時，兩泵同時供，這樣可以減少系統(tǒng)功率損失，防止油溫升高。（6）定位精度定位采用機械擋塊定位，定位精度為 0.5～1mm。（7）控制方式采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。10第 3 章 抓取機構(gòu)的設(shè)計3．1 抓取機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的確定抓取機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要決定于工件的形狀和質(zhì)量，本課題的抓取工件為250×170×140mm 的箱式零件，因此采用平行連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)較為合適。夾緊裝置為常開式，當(dāng)夾緊液壓缸通油時，推動活塞帶動杠桿機構(gòu)合攏將工件夾緊。當(dāng)夾緊液壓缸斷油時，活塞桿通過彈簧復(fù)位，手爪張開。3．2 夾緊力（握力）的確定當(dāng)用不同的手部機構(gòu)夾緊同一種工件時，由于各手部機構(gòu)的增力倍數(shù)不同，所需拉緊油缸的驅(qū)動力也不同。當(dāng)手部機構(gòu)選定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置） ，鉗爪的受力狀態(tài)不一樣，因而所需拉緊油缸的驅(qū)動力也不一樣。下圖（2）為兩鉗爪式手部機構(gòu)，由于驅(qū)動力 P 使一對平行鉗口對被夾持的工件產(chǎn)生兩個作用力 N，當(dāng)忽略工件重量時（即相當(dāng)于夾緊一塊握力表） ，這兩個力大小相等，力 N 稱為由驅(qū)動力 P 產(chǎn)生的夾緊力。圖 3.1 夾緊力現(xiàn)引入一個稱為“當(dāng)量夾緊力”的概念，所謂當(dāng)量夾緊力，就是指把重量為 G的工件，按某一方位夾緊可以求得其拉緊油缸具有的最小驅(qū)動力，這個最小驅(qū)動力所能產(chǎn)生的夾緊力，就稱為工件在這個方位的當(dāng)量夾緊力。當(dāng)量夾緊力的數(shù)值與具體的手部機構(gòu)方案無關(guān)。只與工件的重量 G 和它相對與鉗爪的放置方位有關(guān)。證明如下：（1）首先求驅(qū)動力 P 與夾緊力 N 的關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動力推動活塞桿移動一小段距離dy 時，兩個鉗爪都相應(yīng)產(chǎn)生一微小轉(zhuǎn)角 dθ，依據(jù)虛功原理，驅(qū)動力 P 所做功（Pdy）和夾緊力 N 所做功應(yīng)相等，即?bddy??11N= ?bdPy2（3.1）（2）當(dāng)量夾緊力與工件重量之關(guān)系。當(dāng)鉗爪水平夾緊重為 G 的工件時，根據(jù)工件的平衡條件∑F=0 可得R1=R2+G可以看出，上下鉗爪對工件的夾緊力并不相等，且隨驅(qū)動力的增大而增大，但R1 和 R2 的差值永遠為工件之重量 G，如 R2=0，R1=G，驅(qū)動力最小。這個最小驅(qū)動力可以由下述方法求出： ?bdRdyP21'??將 R1=G，R2=0 代入上式得dyGP?'（3.2）由 所產(chǎn)生的夾緊力 ，即當(dāng)量夾緊力。將（2.2）式代入（2.1）式得'P'N212'' dybdybp????（3.3）從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)量夾緊力 與具體的手部結(jié)構(gòu)方案無關(guān)。不同的手部'N機構(gòu)的增力倍數(shù)特性 不一樣，而當(dāng)量夾緊力與 無關(guān)，只與工件的重量和它相dy?dy對于鉗爪的放置方位無關(guān)。由課題要求可知，本機械手水平夾持懸伸工件，示意如圖 3.2圖 3.2 握力示意圖查表得進行握力計算：12N= （3.4）GHL???????213式中 N——夾持工件時所需的握力；G——工件的重量，G=15kg=150N；L、H——尺寸，L=50mm，H=80mm。將上述數(shù)值代入得N= N25.36102853????????? 考慮到工件在傳送過程中還會產(chǎn)生慣性力、振動以及受到傳力機構(gòu)效率等的影響，故而實際握力還應(yīng)按以下計算：N 實 ≥ ?21KN?（3.5）式中，η——手部的機械效率，一般 η=0.85～0.95；k1——安全系數(shù)，一般取 k1=1.2～2；k2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按下式估算：k2=1+α/g，其中，α 為被抓取工件傳送過程中的最大加速度，g 為重力加速度。若取 η=0.9；k1=1.5；k2 按 α= g/2 計算，k2=1+α/g=1.5，則N 實 ≥ =356.25×1.5×1.5/0.9≈890N?21K?3.3 夾緊缸驅(qū)動力的計算抓取機構(gòu)產(chǎn)生的握力是通過驅(qū)動裝置產(chǎn)生的驅(qū)動力經(jīng)傳動機構(gòu)傳遞而得到的。如圖 3.3 所示為夾緊缸受力分析簡圖，圖中 P 為驅(qū)動力，N 實為握力。由圖 3.4 和圖3.5 的受力分析可得P=2Rsinα （3.6）Rh=LCD R|因為 h=l BCcosδ=l BCcos(180○ -β-γ+α)= lBCcos(β+γ-α) （長度取正值）R|= N 實 cosβ13所以 P=2Rsinα= 實NlBCD???)cos(in2???由結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定 α=10 ○ ，γ=120 ○ ，β=50 ○ ，l CD=130mm，l BC=36mm，代入上式得（長度取正直）N763890936.042172???圖 3.3 夾緊缸受力分析簡圖P實δ βγ圖 3.4 圖 3.5143.4 夾鉗式抓取機構(gòu)的定位誤差分析圖 3.6 所示的為一支點回轉(zhuǎn)型手指的示意圖。圖示情況為分別夾持兩種不同直徑的工件時的情況。其中， 為手指長度，即手指的回轉(zhuǎn)中心 A 到 V 形槽頂點 B 之ABl間的距離； 為 V 形槽的夾角； 為偏轉(zhuǎn)角，即 V 形槽的角平分線 BC 與手指 AB 間?2?的夾角；R 為工件的半徑。圖 3.6工件的中心 C 與手指的回轉(zhuǎn)中心 A 之間的距離 x 可由下式求得： ????cosin2sincos222 ?????????????????? RlRlllx ABBBCABA將上式整理后得????222 sicosisin1ABABllx?或 ????1sincsin22 ???ABABlRlx此式為雙曲線方程，其曲線如圖 3.7 所示。圖中曲線表示了 X 隨 R 變化的關(guān)系，而且 X 的變化是以 R0 為分界線左右對稱的。當(dāng)工件的半徑由 Rmax 變化到 Rmin 時，X 的最大變化量即為定位誤差 ，其值為?15?????? cosinm2sincosinmax2sinax22 ??????????????????????????????? RlRlRlRl ABABABAB圖 3.7在設(shè)計手指時，只要給定手指的長度 ，選取合適的偏轉(zhuǎn)角 β，即可根據(jù)工件ABl的最大直徑 Rmax 和最小直徑 Rmin 確定定位誤差。為了減少定位誤差，可加大手指的長度，會使結(jié)構(gòu)增大，重量增加。另外，選擇最佳的偏轉(zhuǎn)角 β，也可使定位誤差最小。當(dāng) R 等于平均半徑 Rm 時，定位誤差最小，此時??????????2minaxRelRlRl lll ABABAB ???sincosin2sin iiaximi22 ?????????????????式中， ——最佳偏轉(zhuǎn)角。e?3．5 夾緊液壓缸主要尺寸的確定3.5.1 液壓缸內(nèi)徑 D 的計算由單桿活塞式液壓缸的推力公式：（3.7）1pAF?式中， ——液壓缸的推力(N)； 1Fp——系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5Mpa=2.5N/mm 2；16——活塞的作用面積（mm 2）1A=1A24D?D——活塞直徑（mm） 。推導(dǎo)得出：D=1.13 （3.8）mpF?1式中， ——驅(qū)動力，即液壓缸的實際工作載荷（N） ；1Fp——系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5Mpa=2.5N/mm 2；ηm——機械效率，一般取 ηm=0.95；D——液壓缸內(nèi)徑（mm） 。將上述數(shù)值代入得D=1.13 m25.09.52763??按 GB/T2348-1993 標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整，取 D=32mm。3.5.2 活塞桿直徑 d 的計算根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿直徑 d（3.9）?1??D式中 ，d——活塞桿直徑（mm） ；D——液壓缸直徑（mm） ；——速度比：?212dDv???——活塞桿的縮入速度（mm/min） ；2v——活塞桿的伸出速度（mm/min） 。1液壓缸的往復(fù)運動速度比，與系統(tǒng)工作壓力的關(guān)系如下 表 3.1工作壓力 p/MPa ≤10 12.5～20 ＞20速度比 φ 1.33 1.46；2 2由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)工作壓力為 2.5MPa，故選用速度比 φ 為 1.33。17不同速度比時活塞桿直徑 d 和液壓缸內(nèi)徑 D 的關(guān)系如下 表 3.2：φ 1.15 1.25 1.33 1.46 2d 0.36D 0.45D 0.5D 0.56D 0.71D按 GB/T2348-1993 標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整，取 d=14mm。3.5.3 液壓缸壁厚 δ 的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算：（3.10）????2Dp?式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm） ；——試驗壓力（MPa） ，工作壓力 p≤16MPa 時， =1.5p；工作壓力p pp≥16MPa 時， =1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為 2.5MPa，故=1.5×2.5=3.75Mpa；pD——液壓缸內(nèi)徑（mm） ；——缸材料體的許用應(yīng)力（MPa）：?????nb??——缸體材料的抗拉強度（MPa） ；bn——安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取 n=5。對于：鍛鋼 =100～120 MPa???鑄鋼 =100～110 MPa鋼管 =100～110 MPa鑄鐵 =60 MPa??現(xiàn) 選用鑄鐵材料， =60Mpa。??將以知數(shù)據(jù)代入上式得 m1602375.???因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取 =10mm。3.5.4 液壓缸外徑 D0及長度 l 的計算 52=10+3 2=0?L≤（20～30）D0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取 l=60mm。3.5.5 液壓缸行程 S 的確定