工业机械手设计学士学位论文

工业机械手设计学士学位论文内容摘要：

闭式传动装置， 如图 ， 用来降低转速和增大 转矩 ，以满足工作需要。 学士学位论文 15 图 减速箱 选用减速器时应根据工作机的选用条件，技术参数，动力机的性能，经济性等因素，比较不同类型、品种减速器的外廓尺寸，传动 效率 ，承载能力，质量，价格等，选择最适合的减速器。 减速器 是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。 、轴及轴承组合 小齿轮与轴制成 一体，称齿轮轴，这种结构用于齿轮直径与轴的直径相关不大的情况下，如果轴的直径为 d，齿轮齿根圆的直径为 df，则当 dfd≤ 6～7mn 时，应采用这种结构。 而当 dfd6～ 7mn 时，采用齿轮与轴分开为两个零件的结构，如低速轴与大齿轮。 此时齿轮与轴的周向固定平键联接，轴上零件利用 轴肩 、 轴套 和 轴承 盖作轴向固定。 两轴均采用了 深沟球轴承。 这种组合，用于承受径向载荷和不大的轴向载荷的情况。 当轴向载荷较大时，应采用 角接触球轴承 、 圆锥滚子轴承 或深沟球轴承与推力轴承的组合结构。 轴承是利用齿轮旋转时溅起的稀油，进行润滑。 箱座中油池的润滑油，被旋转的 齿轮 溅起飞溅到箱盖的内壁上，沿内壁流到分箱面坡口后，通过导油槽流入轴承。 当浸油齿轮圆周速度υ≤ 2m/s 时，应采用 润滑脂 润滑轴承，为避免可能溅起的稀油冲掉润滑脂，可采用挡油环将其分开。 为防止润滑油流失和外界灰尘进入箱内，在轴承端盖和外伸轴之间装有密封元件。 箱体是减速器的重要组成部件。 它是传动零件的基座，应具有足够的强学士学位论文 16 度和刚度。 箱体通常用灰铸铁制造，对于重载或有冲击载荷的减速器也可以采用铸钢箱体。 单体生产的减速器，为了简化工艺、降低成本，可采用钢板焊接的箱体。 灰铸铁 具有很好的铸造性能和减振性能。 为了便于轴系部件的安装和拆卸，箱体制成沿轴心线水平剖分式。 上箱盖和下箱体用螺栓联接成一体。 轴承座的联接螺栓应尽量靠近轴承座孔，而轴承座旁的凸台，应具有足够的承托面，以便放置联接螺栓，并保证旋紧螺栓时需要的扳手空间。 为保证箱体具有足够的刚度，在轴承孔附近加支撑肋。 为保证减速器安置在基础上的稳定性并尽可能减少箱体底座平面的机械加工面积，箱体底座一般不采用完整的平面。 为了保证减速器的正常工作，除了对齿轮、轴、轴承组合和箱体的结构设计给予足够的重视外，还应考虑到为减速 器润滑油池注油、排油、检查 油面 高度、加工及拆装检修时箱盖与箱座的精确定位、吊装等辅助零件和部件的合理选择和设计。 检查孔为检查传动零件的啮合情况，并向箱内注入 润滑油 ，应在箱体的适当位置设置检查孔。 检查孔设在上箱盖顶部能直接观察到齿轮啮合部位处。 平时，检查孔的盖板用螺钉固定在箱盖上。 通气器减速器工作时，箱体内温度升高，气体膨胀，压力增大，为使箱内热胀空气能自由排出，以保持箱内外压力平衡，不致使润滑油沿分箱面或轴伸密封件等其他缝隙渗漏，通常在箱体顶部装设通气器。 轴承盖为固定轴系部件的轴向位置并承受轴向载荷，轴承座孔两端用轴承盖封闭。 轴承盖有凸缘式和嵌入式两种。 利用六角螺栓固定在箱体上，外伸轴处的轴承盖是通孔，其中装有密封装置。 凸缘式轴 承盖的优点是拆装、调整轴承方便，但和嵌入式轴承盖相比，零件数目较多，尺寸较大，外观不平整。 学士学位论文 17 设计方案 具体到本设计，因为选用了液压缸作为机械手的水平手臂、垂直手臂和手爪，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。 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，选择圆柱齿轮箱传动，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。 采用大的传动比 120，齿轮采用高强度、高硬度的材料，高精度加工制造。 随着减速箱的广泛应用，已经成为标配，可以直接按型号选择。 硬齿面减速机是按照国家标准（ Gb1900488）生产的，主要包括 ZDY（单级）、 ZLY（两级）、 ZSY（三级）和 ZFY（四级）四大系列。 本设计选用三级传动即可， 见图 ， 性能特点： ，传动比等主要均经优化设计，主要零、部件互换性好。 、淬火而成，齿轮硬度达 HRC5862。 、重量轻、精度高、承载能力大、寿命长、可靠性高、传动 平稳、噪音低。 ，自然冷却，当热功率不能满足时，可采用循环油润滑或风扇，冷却盘管冷却。 图 硬齿面减速箱 学士学位论文 18 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。 ［ 4］ 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。 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 液脉学士学位论文 19 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。 电动驱动系统 这些年来，针对机器人，数控机床等自动机械而开发的各种类型的伺服电动机及伺 服驱动器的大量出现，为机器人驱动系统的更新创造了条件。 由于高起动力矩、大转矩低惯量的交、直流电机在机器人中的应用，因此一般情况下，负重在 100kg 以下的工业机 器人大多数采用电动驱动系统。 ［ 5］ 在机器人驱动系统中应用的电动机大致可分为如下类型：小惯量永磁直流伺服电动机，有刷绕组永磁直流伺服电动机，大惯量永磁直流伺服电动机（力矩电机），反应式步进电机，同步式交流伺服电动机，异步式交流伺服电动机。 速度传感器多数用的是测速发电机，位置传感器多数用光电编码器。 伺服电动机可与测速发电机、光电编码器、制动器、减速器相结合，实现部分组合、由几种组合或全部组合，形成伺服电动机驱动单元。 ［ 8］ 机器人的驱动系统电机的选择要根据机器人的用途、功能、结 构特点，结合各类电机自身的特点、性能、结构特点以及性能价格比等综合考虑进行。 根据机器人各运动轴所计算的、要求电机的转速、负载额定力矩、加减速特性、额定功率、加速功率等参数选择电机型号。 ［ 6］ 有关各类驱动电动机主要特点及性能、结构特点、用途及使用范围、适用的驱动器见表。 学士学位论文 20 名 称 主要特点及性能 结构特点 用途及使用范围 驱动器 小惯量直流永磁伺服电动机 电机的惯量小，理论加速度大，低速性好，调速比可达 1： 10e4 范围，但低速输出力矩不大 转子直径小，惯量小 适用于对快速性要求严格而负载力矩不大的场合 直流 PWM 伺服驱动器 SCR变压驱动器 小惯量直流永磁伺服电动机 电机的惯量小，理论加速度大，调速比可达 1： 10e4范围，但低速输出力矩不大 转子直径小，惯量小 适用于对快速性要求严格而负载力矩不大的场合 直流 PWM 伺服驱动器 SCR变压驱动器 有刷绕组永磁直流伺服电动机 转动惯量小，快速响应性能好；转子无铁损，效率高；换向性能好，寿命长；负载波动对转速影响小，输出力矩平稳 无铁心，具有轴向平面间隙 可频繁起制动、正反转工作，响应迅速，适用于机器人，数控等 直流 PWM 伺服驱动器，SCR 变压驱动器 学士学位论文 21 大惯量 永磁直流伺服电动机 输出力矩大，转矩波动小，机械特性硬度大，可以长时间工作在堵转条件下 又称力矩电机，其转子较粗 适用于驱动力矩较大的场合，因可不用齿轮传动，消除了齿轮间隙 直流 PWM 伺服驱动器，SCR 变压驱动器 反应步进电机 将电脉冲信号直接转换成转角，转角与脉冲数成正比，输出力矩也较大 电机转子无转租，由永磁体构成转子磁极 用于数字系统中作为执行元件，如数控机床、机器人；开环控制 直流 PWM 伺服驱动器 SCR变压驱动器 同步交流伺服电动机 转速与定子绕组所建立的旋转磁场严格同步；从低度到高速，定子绕组 可通过大电流，可频繁起、制动 转子由永久磁铁做成，定子有三相，转子比较细 主要用于中小容量的伺服驱动系统中，如数控、机器人等系统中 交流 PWM 变频调速器 异步交流伺服电动机 转速永远低于定子绕组所建立的旋转磁场，容量大 定子由对称三相绕组组成， 用于数控机床主轴等容量大的场合 交流 PWM 变频调速器 表 驱动电机 学士学位论文 22 （ 1）直流电机伺服驱动器 直流伺服电机驱动器目前多采用脉冲宽度调制（ PWM）伺服驱动器。 其电源电压为固定不变值，由大功率三极管作为开关元件，以固定的开关频率动作，但其脉冲宽度可以随电路控制而改变，改变了脉冲宽度也就可以改变加在电机电枢两端的平均电压，从而改变了电机的转速。 这种伺服驱动器一般由电流内环和速度外环组成。 末级采用大功率三极管构成桥式开关电路。 PWM 伺服驱动器具有调速范围宽、低速特性好，响应快、效率高、过载能力强等特点。 目前已广泛应用于各类数控机床、工业机器人及其它机电一体化产品中用做直流伺服电机的驱动。 （ 2）步进电机驱动器 步进电机的控制装置主要包括脉冲发生器，环行分配器和功率放大器等几部分组成。 脉冲发生器可以按照起、制动及调速要求改变频率、以 控制步进电机。 环行分配器是控制步进电机各绕组按一定的次序通过的环节。 它的作用是把脉冲发生器送来的一系列脉冲信号按照一定的循环规律依次分配给各绕组，以使步进电机按着一定的规律运动。 功率放大器的作用是将环行分配器输出的毫安级电流放大成安培级电流以驱动步进电机。 目前功率放大器多采用高低压驱动电路。 这种电路有高、低压二组电源。 当绕组刚通电瞬间让绕组接通高电压，从而使各相电流迅速建立。 而当达到步进电机额定电流时仅以低电压给各相绕组供电。 高电压加入的时间长短由控制电路来实现。 设计方案 具体到本设计，在分析了具体 工作要求后，综合考虑各个因素。 机械手学士学位论文 23 腰部的旋转运动需要一定的定位控制精度，故采用步进电机驱动来实现；因为采用液压执行缸来做水平手臂和垂直手臂，故大小臂均采用液压驱动；同时考虑随着机床加工的工件的不同，水平手臂伸出长度是不同的。 因此，要求水平手臂具有伺服定位能力，故采用电液伺服液压缸进行驱动。 而手爪的张开和夹紧通过液压缸活塞与中间齿轮和扇形齿轮配合来实现，即手爪在液压缸推力作用下通过活塞杆端部齿条、中间齿轮及扇形齿轮使手指张开和闭合。 学士学位论文 24 液压执行元件 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 名 称 特 点 适 用 场 合 双活塞杆液压缸 双向对称 双向工作的往复场合 单活塞杆液压缸 有效工作面积大、双向不对称 往返不对称的直线运动，差动连接可实现快进 柱塞缸 结构简单 单向工作，靠重力或其它外力返回 摆动缸 单叶片式小于 360 双叶片式小于 180 小于 360 的摆动； 小于 180 的摆动 齿轮马达 结构简单、价格便宜 高转速、低转矩的回转运动 叶片马达 体积小、转动惯量小 高速低转矩、 动作灵敏的回转运动 摆线齿轮马达 体积小、输出转局大。