-13-上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)和計(jì)算過程案例1.1電機(jī)選型的相關(guān)參數(shù)的計(jì)算1.1.1計(jì)算相關(guān)參數(shù)（1）如果傳動負(fù)載沿直線移動（由滾珠絲杠），則有負(fù)載額定功率：P0負(fù)載加速功率：Pa負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）：TL負(fù)載GD2GDL起動時間：ta制動時間：td（2）若傳動負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動負(fù)載額定功率：P0負(fù)載加速功率：Pa負(fù)載力矩（折算到電機(jī)軸）：TL負(fù)載GD（折算到電機(jī)軸）：GDL起動時間：ta制動時間：td式中，P0--為額定功率，KWPa--為加速功率，KWNl--負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，r/minNM--為電機(jī)軸回轉(zhuǎn)速度，r/minVl--為負(fù)載的速度，m/minη--為減速機(jī)效率;μ--為摩擦系數(shù);Tl--為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（負(fù)載軸），NTP--為電機(jī)起動最大轉(zhuǎn)矩，NTL--為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（折算到電機(jī)軸上），NGDl2--為負(fù)載的GD2GDL2--為負(fù)載的GD2GDM2--為負(fù)載的GD2在此設(shè)計(jì)中，由于步進(jìn)電機(jī)是以驅(qū)動腰部為動力的回轉(zhuǎn)，其傳動方式為第二類。以下是具體的計(jì)算。由于腰部回轉(zhuǎn)僅有摩擦力矩，而在旋轉(zhuǎn)圓周方向上沒有其它轉(zhuǎn)矩時，回轉(zhuǎn)軸線具有；Tl式中，f--為滾動軸承摩擦系數(shù)，取0.005;G--為機(jī)械手本身與負(fù)載的重量之和，取100KG;R--為回轉(zhuǎn)軸上傳動大齒輪分度圓半徑，R=240mm;代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得Tl同時，腰部回轉(zhuǎn)速度定為Nl且，GDl=mgD將其代入上（3-7）-（3-13）式，得：P0啟動時間t制動時間t折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：TL1.1.2電機(jī)的選型基于上述的計(jì)算結(jié)果，并綜合各種因素，最終選定了由北京和利時電機(jī)技術(shù)有限公司(原北京四通電機(jī)公司)所擁有的步進(jìn)電機(jī)，其型號如下：110BYG550B-SAKRMA-0301或110BYG550B-SAKRMT-0301，或110BYG550B-BAKRMT-0301，其具有高扭矩、低振動、綜合性能良好的特點(diǎn)，其主要參數(shù)見表3-1。表3-1所選電機(jī)相關(guān)參數(shù)型號相數(shù)步距角靜態(tài)電流向電阻相電感保持轉(zhuǎn)矩定位轉(zhuǎn)矩空載啟動頻率(半步方式)重量轉(zhuǎn)動慣量110BYG550B-SAKRMA-030150.36/0.7230.710.080.51.56.49700110BYG550B-SAKRMT-030150.36/0.7230.710.080.51.56.49700110BYG550B-BAKRMT-030150.36/0.7230.710.080.51.56.49700其中，110BYG550B-SAKRMA-0301步進(jìn)電機(jī)的矩頻率特性曲線及有關(guān)技術(shù)參數(shù)，并對其性能進(jìn)行了分析。該系統(tǒng)采用升頻升壓的驅(qū)動方式，采用0.36°的步距。實(shí)際的步距角度為電動機(jī)實(shí)際的步距角度的1/120（從理論上講）精確度非常高，可以完全滿足機(jī)械手的定位精度。1.2液壓驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算1.2.1液壓系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)液壓執(zhí)行元件一般由液壓缸和液壓馬達(dá)組成，液壓缸完成直線運(yùn)動，而液壓馬達(dá)完成旋轉(zhuǎn)。它們的特性和應(yīng)用范圍在表3-2中有所體現(xiàn)。表3-2液壓執(zhí)行元件的特性及應(yīng)用范圍名稱特點(diǎn)適用場合柱塞缸結(jié)構(gòu)簡單單向工作，靠重力或其它外力返回雙活塞桿液壓缸雙向?qū)ΨQ雙向工作的往復(fù)場合擺動缸單葉片式小于360雙葉片式小于180小于360的擺動小于180的擺動單活塞桿液壓缸有效工作面積大雙向不對稱往返不對稱的直線運(yùn)動、差動連接可實(shí)現(xiàn)快進(jìn)葉片馬達(dá)體積小、轉(zhuǎn)動慣量小高速低轉(zhuǎn)矩、動作靈敏的回轉(zhuǎn)運(yùn)動齒輪馬達(dá)結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動軸向柱塞馬達(dá)運(yùn)動平穩(wěn)、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速范圍寬大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動徑向柱塞馬達(dá)轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、輸出轉(zhuǎn)矩大低速大轉(zhuǎn)矩回轉(zhuǎn)運(yùn)動擺線齒輪馬達(dá)體積小、輸出轉(zhuǎn)矩大低速、小功率大轉(zhuǎn)矩的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由于機(jī)械手是以圓柱坐標(biāo)的形式設(shè)計(jì)的，它有三個自由度，腰部的旋轉(zhuǎn)和兩個是手臂的自由度運(yùn)動。同時，由于操作者的工作環(huán)境、負(fù)載對其布置、位置的精確性、電腦控制等方面的需求，通過電動機(jī)的驅(qū)動，使機(jī)械手的水平臂和垂直手臂均采用單柱式液壓缸，以完成直線往復(fù)運(yùn)動。圖3-1中顯示了該機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖。圖3-1機(jī)械手的液壓系統(tǒng)圖1.2.2液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力、流量，它們是液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、液壓元件的選用。外部負(fù)荷決定其壓力，而其運(yùn)動速度和結(jié)構(gòu)尺寸決定了液壓執(zhí)行元件的流量。（1）液壓缸整體機(jī)械負(fù)荷的計(jì)算根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況液壓缸所受的總機(jī)械載荷為F=F式中，F(xiàn)wFmFsfFfFb1）FsfFsf式中，A1Δpf--克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力，如該液壓缸工作壓力＜16MPa,查相關(guān)手冊取=0.2啟動時：F運(yùn)動時：F2）FmFm式中，G--為液壓缸所要移動的總重量，取為100KG；g--為重量加速度，9.81m/Δv--為速度變化量；Δt--啟動或制動時間，一般為0.01-0.5s，取0.2s將各值帶入上式，得：3）Fb回油背壓形成的阻力按下式計(jì)算Fb式中，pb--為回油背壓，一般為0.3MPa-0.5A2--為有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2將各值帶入上式有，F(xiàn)分析液壓缸各工作階段受力情況，作用在活塞上的總機(jī)械載荷為F=1088N。4）Ff機(jī)械手水平方向上有兩個導(dǎo)桿，內(nèi)倒桿和外導(dǎo)套之間的摩擦力為Ff式中，G--為機(jī)械手和所操作工件的總重量，取為100KG；f--為摩擦系數(shù)，取f=0.1；代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：F（2）手抓執(zhí)行液壓缸工作壓力計(jì)算N≥k式中，N--為所需夾持力；G--被抓持工件的重量30kg；k1k2--為動載系數(shù)，主要考慮慣性力的影響可按k2=1+ag估算；a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過程的加速度m/k3--方位系數(shù)，查表選取k帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：N=120N;理論驅(qū)動力的計(jì)算：p=2b式中，p--為柱塞缸所需理論驅(qū)動力；G--被抓持工件的重量30kg；N--為手指夾緊力；R--為扇形齒輪分度圓半徑；b--為夾緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離；η--齒輪傳動機(jī)構(gòu)的效率，此處選為0.92；其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得P=377N計(jì)算驅(qū)動力計(jì)算公式為：Fc式中，F(xiàn)cG--被抓持工件的重量30kg；k1k4--工作條件系數(shù)，此處選1.1其他同上。帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得F而液壓缸的工作驅(qū)動力是由缸內(nèi)油壓提供的，故有Fc式中，P--為柱塞缸工作油壓；A--為柱塞截面積；經(jīng)計(jì)算，所需的油壓約為：3M1.2.3液壓缸的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)由于機(jī)械手的特性，其剛性和穩(wěn)定性對機(jī)械手的性能影響較大。通過對各個油缸的詳細(xì)分析和各種因素的分析，初步得出了各個油缸的主要性能參數(shù)。表3-3手抓執(zhí)行柱塞缸參數(shù)缸內(nèi)徑mm壁厚mm直徑mm行程mm工作壓力Mpa20520803-6表3-4水平伸縮液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑mm壁厚mm直徑mm行程mm工作壓力Mpa6010254001表3-5垂直液壓缸參數(shù)缸內(nèi)徑mm壁厚mm直徑mm行程mm工作壓力Mpa6010251001由于伸縮缸的主要功能是直線移動，它在軸向上沒有明顯的工作負(fù)荷（由于爪子抓取了工件，受到的力是垂直的），所以它的軸向主要是為了抵抗摩擦力。同時油缸的彎矩較大，沖程較長，對油缸的穩(wěn)定、剛性要求更高。所以，對臥式伸縮缸進(jìn)行設(shè)計(jì)時，應(yīng)考慮增加其抗彎性能，并對其進(jìn)行合理的布局，以保證其最大的剛度。為了解決這種問題，我們在設(shè)計(jì)時使用了兩根導(dǎo)桿，以解決長沖程活塞桿的穩(wěn)定和導(dǎo)引問題。另外，為了提高結(jié)構(gòu)的剛性和穩(wěn)定性，將兩根導(dǎo)桿與活塞桿布置成等邊形截面，提高了液壓缸的彎曲模量，并使其工作剛度大大提高。由于豎直油缸受到的負(fù)荷形式是有一定的軸向負(fù)荷和較大的傾覆力矩（由于工件的自重）。作為一種液壓傳動部件，其驅(qū)動功率的需求很容易滿足，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否具有足夠的剛性以抵御傾覆。因此，在此也使用了導(dǎo)桿，并在豎立提升缸周圍設(shè)有四個導(dǎo)桿，很好地解決了這個問題。1.2.4液壓缸的強(qiáng)度校核（1）校核活塞桿直徑活塞桿直徑的校核公式為：d≥4F式中，F(xiàn)--為活塞桿上作用力；σ--為活塞桿材料的許用應(yīng)力，此處σ代入數(shù)據(jù)，進(jìn)行