机械制造专业毕业论文(上海复旦大学)

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毕业论文

专业：机械制造专业

入学时间：2006年9月

毕业时间：2011年7月

序

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械手后大力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务，在构造和性能上兼有人和机器各自的优点，尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力，在国民经济各领域有着广阔的发展前景。

机械手是在机械化，自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中，机械手被广泛的运用于自动生产线中，机械人的研制和生产已成为高技术邻域内，迅速发殿起来的一门新兴的技术，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。机械手虽然目前还不如人手那样灵活，但它具有能不断重复工作和劳动，不知疲劳，不怕危险，抓举重物的力量比人手力大的特点，因此，机械手已受到许多部门的重视，并越来越广泛地得到了应用。

机械手技术涉及到力学、机械学、电气液压技术、自动控制技术、传感器技术和

计算机技术等科学领域，是一门跨学科综合技术。

机械手是一种能自动化定位控制并可重新编程序以变动的多功能机器，它有多个自由度，可用来搬运物体以完成在各个不同环境中工作。

1.1 机械手的分类

机械手一般分为三类：第一类是不需要人工操作的通用机械手。它是一种独立的不附属于某一主机的装置。它可以根据任务的需要编制程序，以完成各项规定的操作。它的特点是具备普通机械的性能之外，还具备通用机械、记忆智能的三元机械。第二类是需要人工才做的，称为操作机。它起源于原子、军事工业，先是通过操作机来完成特定的作业，后来发展到用无线电讯号操作机来进行探测月球等。工业中采用的锻造操作机也属于这一范畴。第三类是用专用机械手，主要附属于自动机床或自动线上，用以解决机床上下料和工件送。这种机械手在国外称为“Mechanical Hand”，它是为主机服务的，由主机驱动；除少数以外，工作程序一般是固定的，因此是专用的。

在国外，目前主要是搞第一类通用机械手，国外称为机器人。本课题所做的机械手是属于第三类机械手。

1、简史

机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。它的结构是：机体上安装一个回转长臂，顶部装有电磁块的工件抓放机构，控制系统是示教形的。

1962年，美国联合控制公司在上述方案的基础上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate（即万能自动）。运动系统仿照坦克炮塔，臂可以回转、俯仰、伸缩、用液压驱动；控制系统用磁鼓作为存储装置。不少球坐标通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司,专门生产工业机械手。

1962年美国机械制造公司也实验成功一种叫Vewrsatran机械手。该机械手的中央立柱可以回转、升降采用液压驱动控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初，但都是国外工业机械手发展的基础。

1978年美国Unimate公司和斯坦福大学，麻省理工学院联合研制一种Unimate-Vicarm型工业机械手，装有小型电子计算机进行控制，用于装配作业，定位误差小于±1毫米。联邦德国机械制造业是从1970年开始应用机械手，主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。

联邦德国KnKa公司还生产一种点焊机械手，采用关节式结构和程序控制。

日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进两种机械

手后大力从事机械手的研究。

前苏联自六十年代开始发展应用机械手，至1977年底，其中一半是国产，一半是进口。

目前，工业机械手大部分还属于第一代，主要依靠工人进行控制；改进的方向主要是降低成本和提高精度。

第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算控制系统，具有视觉、触觉能力，甚至听、想的能力。研究安装各种传感器，把感觉到的信息反馈，是机械手具有感觉机能。

第三代机械手则能独立完成工作中过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系，并逐步发展成为柔性制造系统FMS和柔性制造单元FMC中的重要一环。

2、应用简况

现代工业中，生产过程的机械化，自动化已成为突出的主题。化工等连续性生产过程的自动化已基本得到解决。但在机械工业中，加工、装配等生产是不连续的。因此，装卸、搬运等工序机械化的迫切性，工业机械手就是为实现这些工序的自动化而产生的。

有资料统计：美国偏重于毛坯生产，日本偏重于机械加工。随着机械手技术的发展，应用的对象还会有所改变。

机械手在锻造工业中的应用能进一步发展锻造设备的生产能力，改善热、累等劳动条件。

国内机械手工业、铁路工业中首先在单机、专机上采用机械手上下料，减轻工人的劳动强度。

国外铁路工业中应用机械手以加工铁路车轴、轮等大、中批零件。并和机床共同组成一个综合的数控加工系统。

采用机械手进行装配更始目前研究的重点，国外已研究采用摄象机和力传感装置和微型计算机连在一起，能确定零件的方位达到镶装的目的。

3、发展趋势

目前工业机械手主要用于机床加工、铸造、热处理等方面，无论数量、品种和性能方面还是不能满足工业发展的需要。

在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。将机械手各运动构件，如伸缩、摆动、升降、横移、俯仰等机构以及根据不同类型的加紧机构，设计成

典型的通用机构，所以便根据不同的作业要求选择不同类型的基加紧机构，即可组成不同用途的机械手。既便于设计制造，有便于更换工件，扩大应用范围。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。

此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。

在国外机械制造业中工业机械手应用较多，发展较快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。

此外，国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。

视觉功能即在机械手上安装有电视照相机和光学测距仪（即距离传感器）以及微型计算机。工作是电视照相机将物体形象变成视频信号，然后送给计算机，以便分析物体的种类、大小、颜色和位置，并发出指令控制机械手进行工作。

触觉功能即是在机械手上安装有触觉反馈控制装置。工作时机械手首先伸出手指寻找工作，通过安装在手指内的压力敏感元件产生触觉作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通过装在手指内的敏感元件来控制，达到自动调整握力的大小。总之，随着传感技术的发展机械手装配作业的能力也将进一步提高。

更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。

1.2机械手的组成

机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。其组成及相互关系如下图：

1、执行机构

( 如图1.2-1所示 )

图1.2-1

（1）手部

手部安装在手臂的前端。手臂的内孔装有转动轴，可把动作传给手腕，以转动、伸屈手腕，开闭手指。

本课所指的机械手仅需开闭手指。

机械手手部的机构系模仿人的手指，分为无关节，固定关节和自由关节三种。手指的数量又可以分为二指、三指和四指等，其中以二指用的最多。可以根据夹持对象的形状和大小配备多种形状和尺寸的夹头，以适应操作需要。

本课所做的机械手采用二指形状。

（2）手臂

手臂有无关节和有关节手臂之分

本课所做的机械手的手臂采用无关节臂

手臂的作用是引导手指准确的抓住工件，并运送到所需要的位置上。为了使机械手能够正确的工作，手臂的三个自由度都需要精确的定位。

本课题所做的机械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左转、右转三个方向的定位均采用行程开关控制，以保证定位的精度。

总括机械手的运动离不开直线移动和转动二种，因此，它采用的执行机构主要是直线油缸、摆动油缸、电液脉冲马达、伺服油马达、直流伺服马达和步进马达等。

躯干是安装手臂、动力源和执行机构的支架。

2、驱动机构

驱动机构主要有四种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压气动用的最多，占90%以上，电动、机械驱动用的较少。

液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上

齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。

气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。

为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。

电气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑用步进电机、直流或交流的伺服电机、变速箱等。

电气驱动的优点是动力源简单，维护，使用方便。驱动机构和控制系统可以采用统一形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。

机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整。

本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。采用手臂的左转、右转、手臂的夹紧、放松方面。

3、控制系统

机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。

控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。

1.3 应用机械手的意义

随着科学技术的发展，机械手也越来越多的地被应用。在机械工业中，铸、焊、铆、冲、压、热处理、机械加工、装配、检验、喷漆、电镀等工种都有应用的实理。其他部门，如轻工业、建筑业、国防工业等工作中也均有所应用。

在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下：

一、以提高生产过程中的自动化程度

应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。

二、以改善劳动条件，避免人身事故

在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染

以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。

在一些简单、重复，特别是较笨重的操作中，以机械手代替人进行工作，可以避免由于操作疲劳或疏忽而造成的人身事故。

三、可以减轻人力，并便于有节奏的生产

应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产。

综上所述，有效的应用机械手，是发展机械工业的必然趋势。

第二章总体技术方案及系统组成

2.1 原始数据

负载重量：10kg

重复定位精度：±1mm

自由度：3（Z的移动，R轴的平动，θ轴的转动）

Z：大臂的升降

R：大臂的伸缩

θ：腰轴

各轴最大运动速度：

Z轴上下：200mms

θ轴回转：30°s

R轴伸缩：200mms

各轴最大运动范围：

Z轴上下：550mm

θ轴回转：90°

R轴伸缩：400mm

2.2工作要求：

机械手的工艺流程：

机械手原位→机械手前伸→机械手上升→机械手抓取并夹紧→机械手后退→机械手前进（小车）→小车停止→机械手左转90°→机械手前伸→机械手松开→机械手后退（小车）→机械手下降→机械手右转90°→小车后退→退至原位

机构简图

2.3 系统组成

本基械手系统由机体，传送机构，动力源和控制装置四部分组成。其中机体由小车及本体等部分组成；传送机构主要由伸缩臂及抓紧机构所组成；动力源由液压驱动和机械驱动两种形式构成控制装置主要由自动控制和手动控制两部分组成。

2.4 总体技术方案

毕业设计的目的就是要把我们所学的比较分散的知识综合起来，并进行灵活运用。现在的发展趋势是机电一体化，因此，我们的毕业设计是要我们将“机”、“电”、“液”三者合并起来。

“机”即是指机械，机械手的动作过程可以分五部分，即机械手的上升下降、机械手的前伸后缩、机械手的加紧放松、机械手的左转右转、小车的前进后退。这五部分中我们靠机械完成机械手的上升下降动作，即本课题所做的机械手采用电动机带动丝杠螺母机构来实现手臂的上升、下降方面。

滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。丝杆传动是带动滚珠沿螺纹轨道滚动。滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或者其他直线运动副相比，有以下特点：

1）传动效率高一般滚珠丝杠副的传动效率达85%-98%，为滑动丝杠副的3-4倍。

2）运动平稳滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无冲击，低速时无爬行。

3）能源预紧预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。同时增加的摩擦力矩相对不大。

4）工作寿命长滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度、高精度，具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杠副的4-10倍以上.

5）定位精度和重复定位精度高由于滚珠丝杠副摩擦小、温升小、无爬行、

无间隙，通过预紧进行预拉伸的补偿的膨胀，因此，可以达到较高的定位精度和重复定位精度。

6）同步性好用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的运动部件。可以得到较好的同步运动。

7）可靠性高润滑密封装置结构简单，维修方便。

8）不自锁用于垂直运动，必须在系统中附加自锁或制动装置。

9）经济性差，成本高由于结构工艺复杂，故制造成本高价格往往以 mm计。

经过计算，选择如下：

电动机型号： Y802-2

功率： 1.1W

丝杠型号： Tr4037

2.4.1 动作分析

工业机械手的机械机构是指它的执行系统，是机械手抓持工件、进行操作及各种运动的机械部件。机械部件主要包括手部，手臂前后伸缩部分，手臂上下升降部分腰转部分以及机座和行走机构。

2.4.2 手部

手部：包括杠杆手指，单向作用式握紧油缸等。其工作原理：物体进入手指后，拉杆手油缸作用，通过拉杆带动杠杆手指回转，实现握紧或松开动作。

1) 手臂的前后伸缩部分

手臂的前后伸缩部分由直线油缸带动实现。

当直线油缸工作时通过活塞杆行程的变化，完成手臂的伸缩运动。

2) 手臂的上下升降部分

手臂的上下升降部分是由电动机、丝杆传动副、立柱等部分组成。

当电动机工作时，通过联轴器转动丝杆，由于丝杆螺母周受到立柱的径向转动限制，使得螺母及手臂架只能作上下运动。

3) 腰转部分

腰转部分主要由转盘和回转油缸组成。

当压力油进入回转油缸时，回转油缸的回转轴回转，通过活塞杆的伸缩带动转盘的转动，从而实现机械手的左右转动，

4) 行走机构

行走机构主要是由电动机、齿轮、带轮等组成。

当电动机工作时，通过齿轮、带轮的传动，带动小车的轮子转动，从而实现行走。

第三章机械手的液压部分

“机、电、液”中的“液”即指液压系统。

液压系统相对于机械传动来说，是一门新兴的技术。人类使用水力机械及液压技术虽然已有很长的历史，但是液压技术在机械领域中得以应用并取得迅速发展则是本世纪，特别是第二次世界大战以来的事。由于液压传动具有许多突出的优点，因而目前已广泛的应用在工、农业机械、机床、交通运输、路地行走设备、船舶控制、火炮控制、飞机、导弹等各方面。

3.1 液压系统的工作原理

所谓液压系统就是以液体为介质，依靠运动者的液体的压力能来传递力的。液压系统工作是，液压泵把电动机传来的回转式机械能转变成油液的压力能：油液被输送到液压缸（或液压马达）后，又由液压缸（或液压马达）把油液的压力能变为直线式（或回转式）的机械能输出。液压系统中的油液在受调节、控制的状态下进行工作的因此液压传动和液压控制在这个意义上来说难以截然分开。液压系统必须满足起执行元件在力和速度方面的要求。

3.2 液压传动的工作特性

液压系统工作是，外界负载越大（在有效承压面积一定的前提下）所需要的压力也越大，反之亦然。因此液压系统的由压力（简称系统的压力，下同）大小取决于外界负载。负载大，系统压力大；负载小，系统压力小；负载为零，系统压力为零。另外，活塞或工作台的运动速度（简称系统的速度，下同）取决于单位时间通过节流阀进入液压缸中油液的体积即流量。流量越大（在有效承压面积一定的前提下）系统的速度越快，反之亦然。流量为零，系统的速度亦为零。液压系统的压力和外在负载，，速度和流量的这两个关系称作液压传动的两个工作特性。

3.3 液压系统的组成

液压系统由以下五个部分组成：

1）动力元件它是将原动机输入的机械能转换为液压能的装置。液压泵即为动力元件。

2）执行元件它是将液体的压力能转换为机械能的装置，以驱动部件。液压缸和液压马达即为执行元件。

3）控制调节元件控制调节元件是指各种阀类元件，它们的作用是控制液压系统中油液的压力、流量和方向，以保证执行元件完成预期的工作运动。

4）辅助元件辅助元件是指油箱、油管、管接头、滤油器、压力表、流量

表等。

5）工作介质在液压系统中使用液压油（通常为矿物油）。

3.4 液压系统的优、缺点

液压系统与机械、电力等传动相比。有以下特点：

1）能方便的进行无级调速，调速范围大。

2）体积小，、重量轻、功率大。一方面，在相同输出功率的前提下，其体积小、重量轻、惯性小、动作灵敏，这对于液压自动控制系统有重要的意义。另一方面，在体积或重量相近的情况下，其输出功率大，能传递较大的扭矩或推力（如万吨水压力等）。

3）控制和调节简单、方便、省力，易实现自动化控制和过载保护。

4）可实现无间隙传动，运动平稳。

5）因为传动介质为油液，故液体元件有自我润滑作用，使用寿命长。

6）液压元件实现了标准化、系列化、通用化、便于设计、制造和推广使用。

7）可以采用大推力的液压缸和大扭矩的液压马达直接带动负载，从而失去了中间的减速装置，使传动简化。

液压传动的主要缺点：

1）漏由于作为传动介质的液体是在一定的压力下，有时是在较高的压力下工作的，因此在有相对运动的表面间不可避免要产生泄漏。同时，由于油液并不是不可以压缩的，油管等也回产生弹性变形，所以液压传动不宜用在传动比要求较严格的场合。

2）震液压传动中的“液压冲击和空穴现象”会产生很大的震动和噪声。

3）热在能量转换和传递过程中，由于存在机械摩擦、压力损失、泄漏损失，因而易使油液发热，总效率降低，故液压传动不宜远距离转动。

4）液压传动性能对温度比较敏感，故不宜在高温及低温下工作。液压传动装置对油液的污染也较敏感，故要求有良好的过滤设施。

5）液压元件加工要求高一般情况下又要求有独立的能源（如液压泵站），这些可能使产品成本提高。

6）液压系统出现鼓故障时不宜追查原因，不宜迅速排除。

综上所述，液压传动由于其优点比较突出，故在工、农业各个部门获得广泛的应用。它的某些缺点随着生产技术的不断发展、提高，正在逐步得到克服。

由于液压传动相对于机械传动有以上几个突出的优点，所以确定机械手的前伸后退、左转右转、夹紧放松着三部分动作用液压传动来实现。

第四章回转装置的总体组成及结构设计

4.1回转装置的组成

回转装置主要由执行件、传递件、驱动件及控制系统四大部分组成。

4.1.1 执行件

本设计选用的是回转台与传递件——链轮共用的一个长平键的心轴。

驱动件驱动传递件——链轮传动，链轮通过共用件将回转运动直接传递给与心轴件联接的回转台，并使之旋转。

4.1.2 传递件

本课题中机械手要求作间歇往复回转运动，因此，考虑采用回转曲线传动。

回转传动可分为齿轮传动、带传动和链传动。

齿轮传动虽然效率高，工作可靠，寿命长，结构紧凑，圆周速度及功率范围广，但制造和安装精度要求较高，不能缓冲，无过载保护，低精度时噪声大。由于本课题中机械手回转精度要求不高，因此，不予考虑。

链传动无弹性滑动和打滑现象，工作可靠，具有准确的平均传动比，传动效率较高，在传动相同功率的情况下，结构较为紧凑，链条张紧力小，作用于链轮轴的力也较小，故链传动能够在低速重载的条件下使用。与齿轮传动相比，链传动制造和安装精度要求较低链传动的主要缺点是不能保持恒定的瞬时传动比，传动平稳性较差，工作时有冲击和噪声，磨损后易发生跳齿，传动中有周期性的重载荷和啮合冲击，不适合载荷变化很大和急速反向转动的场合。

带传动是一种应用很广的机械传动，虽然结构简单，制作成本低，传动平稳，无需润滑，制造和安装精度要求不高，噪声小，能缓冲吸震，有过载保护作用。

同步带传动是一种啮合型带传动。它具有齿轮传动和摩擦带传动的特点。还具有传递功率大，传动比准确等特点。故多用于要求传动平稳，传动精度较高的场合。因此回转装置中的运动传递本设计使用同步带传动。

4.1.3 驱动件

驱动件主要有四种：气动驱动、电气驱动、机械驱动和液压驱动。其中以液压、气动用的最多，占90%以上；电动、机械驱动用的较少。

气压驱动所采用的元件为气压缸、气压马达、气阀等。一般采用4-6个大气压，个别的达到8-10个大气压。它的优点是气源方便，维护简单，成本低。缺点是出力小，体积大。由于空气的可压缩性大，很难实现中间位置的停止，只能用于点位控制，而且润滑性较差，气压系统容易生锈。

为了减少停机时产生的冲击，气压系统装有速度控制机构或缓冲机构。

气驱动采用的不多。现在都用三相感应电动机作为动力，用大减速比减速器来驱动执行机构；直线运动则用电动机带动丝杠螺母机构；有的采用直线电动机。通用机械手则考虑采用同一种形式的动力，出力比较大；缺点是控制响应速度比较慢。

机械驱动只用于固定的场合。一般用凸轮连杆机构实现规定的动作。它的优点是动作确实可靠，速度高，成本低；缺点是不易调整

液压驱动主要是通过油缸、阀、油泵和油箱等实现传动。它利用油缸、马达加上齿轮、齿条实现直线运动；利用摆动油缸、马达与减速器、油缸与齿条、齿轮或链条、链轮等实现回转运动。液压驱动的优点是压力高、体积小、出力大、运动平缓，可无级变速，自锁方便，并能在中间位置停止。缺点是需要配备压力源，系统复杂成本较高。

本课题设计采用液压驱动。利用液压缸带动带动链轮、链条实现回转运动。设计配有液压总站，与回转装置并排置于小车之上。

4.1.4 控制系统

机械手控制系统的要素，包括工作顺序、到达位置、动作时间和加速度等。

控制系统可根据动作的要求，设计采用数字顺序控制。它首先要编制程序加以存储，然后再根据规定的程序，控制机械手进行工作。

本课题采用电机驱动。利用电动机带动带轮、带轮传动通过齿轮和轴的公用件实现小车的行走运动。

第五章机械传动方案的设计与计算

5.1 小车的主要组成部分

1、驱动系统

采用步进电动机带动同步带与带轮驱动小车沿导轨作径向往复运动。

2、执行机构

交换工作台的送出采用液压送出方式，交换工作台应沿相应的轨道送出。

3、控制部分

采用PLC可编程控制器来实现小车各个运动状态的控制。

其小车示意图如图5.1-1所示

图5.1-1

5.2 同步带传动方式优缺点

（一）优点

1、传动比准确，同步带是啮合传动，工作时无滑动。

2、传动效率高，效率可达96%，与V带相比可节能10%以上。

3、传动平稳，能吸收振动，噪声小。

4、使用范围广，传动比可达10，且带轮直径比V带小得多，也不需要大

的张紧力，结构系统高速大50ms ，传递功率300KW

5、传动比准确，对轴及轴承的压力小，耐油耐磨性好，允许采用较小的

带轮直径，较短的中心距和较大是速比。

6、维护保养方便，能在高温，灰尘、水及、腐蚀，介质的恶劣环境中工

作，不需润滑。

（二）缺点：

1、安装要求高。要求二带轮轴线平行。同步在与二带轮轴线垂直的平面内运行。带轮中心距要求较严格。安装不当易发生干涉，爬齿，跳齿等现象。

2、带与带轮的制造工艺比较复杂，成本受批量影响。

5.3 驱动动力源

步进电动机是一种把脉冲信号变换成直线位移或角位移的执行元件，也可以说是一种机械式的数模转换器，每输入一个脉冲，步进电动机就前进一步，因此称作脉冲电动机，步进电动机的种类繁多，主要分三大类：反应式步进电动机、机床磁式步进电动机以及永磁感应式步进电动机，本是合计采用反应式步进电动机，因为其结构简单，是应用最广泛的一种。

步进电动机能成为现代数字控制系统重要的执行元件。是因为步进电动机本身也

在不断发展，性能也在不断完善。其优点如下：

1、可直接实现数字控制。

2、控制性能好

3、无接触式元件，没有电刷和转换器，运行平稳可靠，在步进电动机的负载范围内，步距值不受电源电压的大小，负载大小，波形及周围环境温度变换的影响，抗干扰能力强，能保持运行转速。

4、误差不长期积累。

5、反应式步进电动机在一相绕组通电的情况下，具有自锁能力，永磁式步进电动机在不通电的情况下也能保持转矩。

5.4 机械传动方案的设计计算

本设计采用一级传动，传动比为1.5

本设计计算参照<<实用机械设计手册>>(下册机械工业出版社出版)中的第十章链传动和带传动中第五节多楔带和同步带传动中的同步带传动章节。

5.4.1设计数据确定

因为设计车速为3km6031000

V—车轮切向速度 V=1.25ms

d—车轮直径 d=130mm

n—车轮转速

所以经计算得n=6031000Vd =603100031.253.143130=184rpm

因为车轮转速也等于驱动轴转速

所以n转驱=n=184rpm n转驱=184rpm

因为T=9.553P驱n

T—驱动转矩 T=9NM

P驱—驱动轴功率

n—驱动轴转速 n=184rpm

所以经计算得93=9.5533P驱184

P驱=0.2KM

因为ī=n电n驱

n驱—驱动轴转速 n驱=184rpm

n电—电机轴转速

ī—传动比

所以计算得n电=ī.n电驱n电=1.53184=276rpm 记n电=276rpm

因为驱动轴转驱为9N.m 所以据实际工作要求选用型号为130BF001相数为5相，步距角为0.75°电压为1280V相电流为10A最大转距为9.31N.m空载起动频率为3000步S，空载运行频率为16000步S的反应式步进电动机

因为 T电=9.553P电n电

T电—电机轴转矩 T电=9.31n.m

n电—电机轴转速 n电=276rpm

P电—电机功率

所以计算得P电=T电3n电9.553=9.31332769.553=0.26km

P电=0.26km

因为总=带2联2滚

总—总的传动效率

带—同步带的传动效率带=0.98

联—联轴器的传动效率联=0.99

滚—滚动轴承的传动效率滚=0.99

所以总=0.9830.9930.99=0.99 总=0.99

因为P驱=P实电3总

P驱——驱动轴功率 P驱=0.2Kw

总——总机械传动功率总=0.99

P实电—电动机实际功率

所以计算得 P实电=P驱总=0.20.99=0.21kw

P实电=0.21kw

因为P实电〈 P电

所以符合工作要求

5.4.2 同步带结构的设计计算

1）求出设计功率

因为Pd=Pm2K。

Pd—设计功率

Pm—名义传递功率也就是电动机功率P P=0.26kw

K。—载荷修正系数《实用机械设计手册》（下）表10.5-9载荷修正系数K。取1.8又因为传动装置未及张紧装置和系统为减速运动所以其附加修正系数为零

所以Pd=1.830.26=0.5kw

2）、选择带的节距

因为Pd=0.5kw n电=276rpm=n1—小带轮转速

查《实用机械设计手册》（下）图10.5-4查得同步带的节距代号为H，对应的节距Pd=12.7mm

3）、确定带轮直径和带节线长

查《实用机械设计手册》表10.5-8 得H 型带，小带轮转速n1=276rpm小于900rpm 所以小带轮最少齿数Z1应为14

Z1取22 因为ⅰ=Z2Z1

ⅰ—传动比ⅰ=1.5

Z2—大带轮齿数

Z1—小带轮齿数 Z1=22

所以ⅰ=Z12ⅰ=1.5322=33

查《机电一体化机械系统设计》表3-11

大带轮齿数Z2取标准值32 Z2=32

小带轮节圆直径

因为ｄ1=Pb2Z1

Pb——同步带节距 Pb=12.7mm

Z1—小带轮齿数 Z1=22

所以计算得 d1=12.73223.14=88.94mm d1=88.94mm

同理可得大带轮节圆直径 d2=129.36mm d2=129.36mm

选择带长 LP

初定中心距a

因为 0.7(d2＋d1)＜a＜2(d2＋d1)

d2—大带轮节圆直径 d2=129.36mm

d1—小带轮节圆直径 d1=88.94mm

所以152.81＜a＜436.6

a取 420mm a=420mm

因为 Lp=2aCOS＋ (d2＋d1)2＋(d2－d1)180

定角

因为=arcsin (d2－d12a)

所以=arcsin (129.36－88.9423420)=3

所以a=420mm =3

所以Lp=234203COS3＋ (129.36＋88.94)2＋33（129.36-88.94）180

=839＋343＋2

=1184mm

节线长 Lp=1184mm

查《实用机械设计手册》（下）表10.5-5 取整后

选用长度代号为510 Lp=1295.4mm 齿数Zb=102的同步带

4)、传动中心距a 的确定

因为M=Pb8(2Zb-Z1-Z2)

M —修正系数

Pb —同步带节距 Pb=12.7mm

Zb —同步带齿数 Zb=102

Z1—大带轮齿数 Z1=22

Z2—小带轮齿数 Z2=32

M=238.125mm

因为 a=M+[]

π/)(8/12122Z Z pb M --

≈238.125＋=476mm

a=476mm

所以节线长Lp=1295.4mm 传动中心距a=476mm

5)、选择标准带宽

确定小带轮齿数Z1=22 小带轮转速n1=184rpm

查《实用机械设计手册》(下)表10.5-17用差值法计算得H 型带的基准额定功率P 。=2.7Kw

确定实际带宽bs

因为 bs ≥bs 。（Pdk22P 。）

bs 。—标准带宽 查《实用机械设计手册》(下)表10.5-4

bs 。=76.2mm

Pd —设计功率 Pd=0.5kw

K2—啮合齿数系数K2 据实际工作要求 K2=1

所以bs ≥76.2(0.5132.7) =17.4

查《实用机械设计手册》表10.5-4 bs 取标准为25.4mm 其标准宽度代号为100宽度极限偏差为 bs=25.4mm

确定带宽系数Kw

因为Kw=(bsbs 。) 所以Kw=（25.476.2）=0.29

Kw=0.29

确定额定功率P

因为P=K22Kw2P。

K2—啮合齿数系数 k2=1

Kw—带宽系数 kw=0.29

P。—基准额定功率 P。=2.7kw

所以计算得P=0.2932.7=0.77kw

因为 P＞Pd 所以满足设计要求

带的圆周速度V的确定

因为V= Pb2Z1n16031000

Pb—带的节距Pb=12.7mm

Z1—小带轮齿数Z1=22

n1－小带轮转速n1=276rmm

所以计算得V=12.732232766031000=1.3ms

工作能力验算

因为P=(K22kw2Ta-bs2m2vbs。)V310

K2—啮合齿数系数 K2=1

Kw—带宽系数 Kw=0.29

Ta—许用工作拉力查《实用机械设计手册》表10.5-9

Ta=2100.85N

m—单位长度质量查《实用机械设计手册》表10.5-9

m=0.448㎏m

所以P=〔13(25.476.2)32100.85-25.430.44831.376.2〕31.31000=0.78

因为P＞Pd

所以额定功率大于设计功率故带的传动能力足够。

最小轴径的确定

因为dmin≥A

A—修正系数查《简用机械设计手册》表14-13轴的材料为45钢 A为118

P—传递功率为0.26kw

n—驱动轴转速为184rmm

所以dmin≥A=118=13mm