超聲波清洗機(jī)的設(shè)計(jì),超聲波清洗機(jī)的設(shè)計(jì),超聲波,清洗,設(shè)計(jì) 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書 論文（設(shè)計(jì)）題目： 超聲波清洗機(jī) 學(xué) 號(hào)： 2006183919 姓名： 謝鑫 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師： 周里群 教授 一、主要內(nèi)容及基本要求 對(duì)超聲波清洗原理的了解和分析，對(duì)超聲波發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、計(jì)算；對(duì)清洗槽的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，完成相應(yīng)的成型設(shè)備和成型工藝參數(shù)，進(jìn)行了工程制圖基本要求如下： 1.繪制清洗槽裝配圖 1張 2.繪制清洗槽零件圖 2張 3.編寫設(shè)計(jì)說明書 1份 4.繪制了電路圖 4張 5 文獻(xiàn)翻譯 1篇 二、重點(diǎn)研究的問題 為了能夠使人么從繁瑣的家務(wù)勞動(dòng)中解脫出來，設(shè)計(jì)一種能清洗家庭廚具和一些難洗的生活用具的超聲波清洗機(jī)。根據(jù)所需功率，和最佳清洗頻率對(duì)超聲波發(fā)生器電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)出振蕩器、放大器、匹配電路，使超聲波清洗機(jī)的清洗效果更佳,對(duì)清洗槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)制圖。 三、進(jìn)度安排 序號(hào) 各階段完成的內(nèi)容 完成時(shí)間 1 收集資料、查找相關(guān)的參考文獻(xiàn) 1 周 2 確定超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù) 1 周 3 設(shè)計(jì)超聲波發(fā)生器電路和換能器 2 周 4 清洗槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 周 5 繪制清洗槽零件圖和裝配圖 3 周 6 編寫設(shè)計(jì)說明書、翻譯英文資料 1 周 7 畢業(yè)答辯 1 周 8 四、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) [1] 曹風(fēng)國(guó). 超聲加工技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005(1) [2] 張海燕．超聲波清洗技術(shù)[J]．近代物理知識(shí)，2002(6) [3] 白基成 郭永豐. 特種加工技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006(1) [4] 胡傳忻 夏志東. 特種加工手冊(cè)[M].北京工業(yè)大學(xué)出版社，2007(9) [5] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，1987(6) [6] 艾小洋．中國(guó)工業(yè)清洗領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[M]．現(xiàn)代制造，2004(2) [7] 欒桂冬 張金鐸. 王仁乾．壓電換能器和換能器陣[M]．修訂版；北京大學(xué)出版社，2005(9) 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表 學(xué)號(hào) 2006183919姓名 謝鑫 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 超聲波清洗機(jī) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容 選題 1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的； 2.難度、份量是否適當(dāng)； 3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。 能力 1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力； 2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力； 3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力； 4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力； 5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。 論文 （設(shè)計(jì)）質(zhì)量 1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 2.文字是否通順，有無觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何； 3.有無理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無創(chuàng)新之處。 綜 合 評(píng) 價(jià) 評(píng)閱人： 2010年5月 日 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 題 目： 超聲波清洗機(jī) 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： 2006183919 姓 名： 謝鑫 指導(dǎo)教師： 周里群 教授 完成日期： 2010- 05-31 目 錄 引言………………………………………………………………………………3 第一章 超聲波清洗機(jī)原理與結(jié)構(gòu)………………………………….….4 第一節(jié) 超聲波清洗的原理和特點(diǎn)…………………………….…...4 第二節(jié) 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定………………………..5 第二章 超聲波發(fā)生器設(shè)計(jì)……………………………………….. ……..6 第一節(jié) 超聲波發(fā)生器的選擇………………………………………..6 第二節(jié) 超聲波振蕩器設(shè)計(jì)………………………..…………….……7 第三節(jié) 超聲波放大器設(shè)計(jì)……………………………………………8 第四節(jié) 高頻驅(qū)動(dòng)和匹配電路………………………………………..10 第三章 超聲波換能器設(shè)計(jì)…………….…………………………………11 第一節(jié) 換能器的選擇……………….………………………………….11 第二節(jié) 換能器設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………..12 第四章 清洗槽設(shè)計(jì)…………………………………………………………16 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………..17 超聲波清洗機(jī) 摘要：超聲波清洗始于20世紀(jì)50年代初，隨著技術(shù)的進(jìn)步應(yīng)用日益擴(kuò)大。目前已廣泛地用于電子電器工業(yè)、清洗半導(dǎo)體器件、電子管零件、印刷電路、繼電器、開關(guān)和濾波器等；機(jī)械工業(yè)中用于清洗齒輪、軸承、油泵油嘴偶件、燃油過濾器、閥門及其他機(jī)械零件，大如發(fā)動(dòng)機(jī)及導(dǎo)彈部件，小如手表零件；再如光學(xué)和醫(yī)療器械方面用于清洗各種透鏡、眼鏡及框、醫(yī)用玻璃器皿、針管和手術(shù)器具等；此次設(shè)計(jì)的超聲波清洗機(jī)主要應(yīng)用于家庭中廚具和一些難洗的生活用具。該產(chǎn)品是一種機(jī)電產(chǎn)品，通過壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變成機(jī)械振動(dòng)，在液體中產(chǎn)生超聲波振動(dòng)進(jìn)行清洗。利用超聲波可以穿透固體物質(zhì)而使整個(gè)清洗介質(zhì)振動(dòng)并產(chǎn)生空化氣泡，該清洗方式對(duì)任何生活用具不存在清洗不到的死角，且清洗潔凈度非常高。這種新一代時(shí)尚家電，能夠使人們從繁瑣的家務(wù)勞動(dòng)中解脫出來。 關(guān)鍵詞：超聲波；清洗機(jī)；換能器 Ultrasonic washer Abstract: ultrasonic cleaning began in the early 1950s, with the development of technology application widening. Currently has been widely used in electronic industry, semiconductor device, cleaning tube parts and printing circuit, relays, switches and filter; etc. Mechanical industry for the cleaning gears, bearings, diesel oil, fuel filter, valves and other mechanical parts, such as engine and missile components, such as watch of small parts, Again, such as optical and medical equipment used for washing various aspects lens, glasses and frame, glassware, medical and surgical instruments, etc.; adjusted The design of ultrasonic cleaning machine is mainly used in the family of kitchen utensils and appliances and some difficult life washing. This product is a kind of mechanical and electrical products, through the piezoelectric materials made of ultrasonic transducer will exceed audio electrical oscillation into mechanical vibration, ultrasonic vibration in liquid in cleaning. Using ultrasonic can penetrate solid material and make the cleaning medium vibration and produce cavitation bubbles, the cleaning method for any life appliance does not exist in a corner, and not cleaned clean cleanliness is very high. This new generation of fashionable home appliance, can make people from the housework. Keywords: ultrasonic, Cleaner, transducer 引言 超聲波是一種超過人類聽力頻率范圍的聲波，具有頻率高、方向性準(zhǔn)、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于清洗、距離測(cè)量、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。超聲清洗始于2O世紀(jì)5O年代初，開始主要用于電子、光學(xué)和醫(yī)藥等領(lǐng)域，作為一項(xiàng)實(shí)用性很強(qiáng)的技術(shù)，其應(yīng)用場(chǎng)所廣泛，涉及到大的機(jī)械零部件，小半導(dǎo)體器件的清洗等，常常稱作“無刷清洗”。超聲波清洗的主要特點(diǎn)是速度快、效果好、容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制等針對(duì)復(fù)雜工件表面，如空穴、凹凸處，普通清洗方法很難實(shí)現(xiàn)，而采用超聲波就可以獲得很好的效果。隨著聲化學(xué)的出現(xiàn)與應(yīng)用，再配合使用適當(dāng)?shù)娜芤?，調(diào)節(jié)清洗液酸堿度等，清洗效果更好 第一章 超聲波清洗機(jī)原理與結(jié)構(gòu) 1.1 超聲波清洗的原理和特點(diǎn) 圖1是超聲波清洗的原理圖，換能器將超聲頻電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)并通過清洗槽壁向盛在槽中的清洗液輻射超聲波。存在于液體中的微氣泡(稱為空化核)在聲波的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓或聲強(qiáng)達(dá)到一定值時(shí)，氣泡迅速增長(zhǎng)，然后突然閉合。在氣泡閉合時(shí)，產(chǎn)生沖擊波，在氣泡周圍產(chǎn)生10 一10 Pa的壓力及局部高溫，這種物理現(xiàn)象稱為超聲空化?？栈a(chǎn)生的巨大壓力能破壞不溶性污物而使它們分散于溶液中。蒸汽型空化對(duì)污垢層的直接反復(fù)沖擊，一方面破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會(huì)引起污物層的疲勞破壞而脫離。氣體型氣泡的振動(dòng)對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗，污層一旦有縫可鉆，氣泡還能“鉆入”裂縫作振動(dòng)，使污垢脫落。由于空化作用，兩種液體在界面迅速分散而乳化，當(dāng)固體粒子被油污裹著而附在清洗件表面時(shí)，油被乳化，固體粒子自行脫落。超聲在清洗液中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生正負(fù)交變的聲壓，沖擊清洗件，同時(shí)由于非線形效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生聲流和微聲流，而超聲空化在固體和液體界面上會(huì)產(chǎn)生高速的微聲流，所有這些作用能夠破壞污物，除去或削弱邊界污層，增加攪拌、擴(kuò)散作用，加速可溶性污物的溶解，強(qiáng)化化學(xué)清洗劑的清洗作用。 圖1 超聲波清洗機(jī)原理圖 由此可見，凡是液體能浸到聲場(chǎng)存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、質(zhì)量高，特別適合于清洗件表面形狀復(fù)雜，如空穴、狹縫等的細(xì)致清洗，易于實(shí)現(xiàn)清洗自動(dòng)化。對(duì)一般的除油、防銹、磷化等工藝過程，在超聲波作用下只需兩三分鐘即可完成，其速度比傳統(tǒng)方法可提高幾倍到幾十倍，清潔度也達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)。在某些場(chǎng)合下可以用水劑代替有機(jī)溶劑進(jìn)行清洗，或降低酸堿的濃度。對(duì)于一些有損人體健康的清洗，如清洗放射性污物可以實(shí)現(xiàn)遙控和自動(dòng)化清洗。超聲清洗也有其局限性，例如對(duì)聲波反射強(qiáng)的材料如金屬、陶瓷和玻璃等清洗效果好，而對(duì)聲波吸收大的材料如布料、橡膠以及粘度大的污物清洗效果差。 1.2 超聲波清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)定 (1)超聲波清洗機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 超聲波清洗機(jī)主要由超聲波發(fā)生器、超聲換能器和清洗槽組成，其結(jié)構(gòu)如圖1。超聲波發(fā)生器將50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻電振蕩信號(hào)后，通過電纜輸送給超聲換能器。清洗槽是盛放清洗液和被清洗零部件的容器。 (2)參數(shù)設(shè)定 為了實(shí)現(xiàn)超聲波清洗的高效率，應(yīng)當(dāng)選擇最佳的聲強(qiáng)、頻率及清洗槽聲場(chǎng)分布等參數(shù)。工作頻率選在20—50kHz之間。低頻聲波的空化氣泡大、數(shù)量少，易于清洗較粗糙物品。高頻聲波空化氣泡小、數(shù)量多，易于清洗精細(xì)且形狀復(fù)雜的物品。本超聲波用清洗機(jī)于清洗較粗糙的生活用具，所以采用低頻20kHz。清洗液采用碳?xì)淝逑匆?，碳?xì)淝逑匆壕哂幸韵绿攸c(diǎn)：清洗性能好，蒸發(fā)損失小，無毒，材料相容性好，不破壞環(huán)境，價(jià)格便宜。 第二章 超聲波發(fā)生器設(shè)計(jì) 2.1超聲波發(fā)生器的選擇 超聲波發(fā)生器也稱作超聲電源，它是一種用以產(chǎn)生超聲頻電能并向超聲換能器提供的裝置。按照所采用的工作原理，可以把超聲波發(fā)生器分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類。模擬電路超聲波發(fā)生器又分為振蕩一放大型和逆變型兩種。本設(shè)計(jì)采用振蕩一放大型超聲波發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它是一個(gè)帶有振蕩電路的放大器，由振蕩、放大、匹配電路和電源組成。振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)，放大器將其放大到一定的功率輸出。達(dá)到最佳負(fù)載值，通過輸出變壓器進(jìn)行阻抗匹配，并通過功放輸出。 振蕩器 放大器 匹配器 電源 超聲換能器 圖2 振蕩-放大型超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)框圖 振蕩條件： 從結(jié)構(gòu)上看，正弦波振蕩器就是一個(gè)沒有輸入信號(hào)的、帶選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋放大器。圖3表示接正反饋時(shí)放大器在輸入信號(hào)=0時(shí)的方框圖，簡(jiǎn)化下得圖4。由圖4可知，如果在放大器輸入端1外接一定頻率，一定幅度的正弦波信號(hào)Xa，經(jīng)過基本放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)所構(gòu)成的環(huán)路輸出后，在反饋網(wǎng)絡(luò)的輸出端2得到反饋信號(hào)Xf與Xa在大小和相位上都一致，則可以除去外接信號(hào)Xa，將1、2兩端連接在一起(如圖中虛線所示)而形成閉環(huán)系統(tǒng)，其輸出端可繼續(xù)維持與開環(huán)時(shí)一樣的輸入信號(hào)，即=。 基本放大器（A） 反饋網(wǎng)絡(luò) （F） 圖3 正弦波振蕩器方框圖 圖4 正弦波振蕩器方框圖 ＝AF＝1 振幅平衡條件 和 + =2n n=0,1,2,3…… 相位平衡條件 這兩個(gè)式子是正弦波振蕩器產(chǎn)生持續(xù)振蕩的兩個(gè)必要條件。振蕩器的振蕩頻率0是由相位平衡條件決定的。一個(gè)正弦波振蕩器只在某一個(gè)頻率下滿足相位平衡條件，這個(gè)頻率就是f0,這就是要求在環(huán)路中包含一個(gè)具有選頻特性的網(wǎng)絡(luò)。它可以設(shè)置在放大器A中，也可以設(shè)置在反饋網(wǎng)絡(luò)F中，它可以用R、C元件組成，也可以用L、C元件組成。欲使振蕩器能自行建立振蕩，就必須滿足＞1的條件。這樣在接通電源后，振蕩器就可以自行起振，最后趨于穩(wěn)態(tài)平衡。 2.2超聲波振蕩器設(shè)計(jì) 由于TL494價(jià)格便宜而且性能優(yōu)越，設(shè)計(jì)采用由開關(guān)穩(wěn)壓塊TL494構(gòu)成的振蕩器。振蕩器電路見圖5 圖5 振蕩器電路圖 將TL494的5腳(CT)和6腳(RT)接定時(shí)元件電阻R和電容c，即可起振，振蕩器工作頻率由下式?jīng)Q定：= () 由于頻率選為20k由上公式得RC=0.5958×,振蕩器輸出方波的占空比是換能器產(chǎn)生的超聲波強(qiáng)度的決定因素。通過給TL494的4腳加以一定的直流電壓就可實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)整。定時(shí)元件由電容C、電阻R1和電位器R2構(gòu)成，調(diào)節(jié)電位器R2即可實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)整。本機(jī)供電電源為12V，采用的是推挽工作方式。電阻R3(10kQ)和電位器R4(10kQ)構(gòu)成分壓電路，死區(qū)時(shí)間控制端的電位應(yīng)界于2．5～5V之間。調(diào)節(jié)電位器R4亦可實(shí)現(xiàn)超聲波的強(qiáng)度調(diào)節(jié)。 2.3超聲波放大器設(shè)計(jì) （1）超聲波放大器的選擇 超聲波放大器的作用是將振蕩信號(hào)放大至所需電平。放大部分可以是單級(jí)的，也可以是多級(jí)的，主要看輸出功率的需要。早期的超聲波發(fā)生器使用電子管做放大器件，現(xiàn)在則普遍采用晶體管（三極管、場(chǎng)效應(yīng)管和IBGT器件）。近年來越來越多的廠家采用功率集成電路做超聲波發(fā)生器的放大器件。目前工業(yè)上廣泛使用的超聲波發(fā)生器基本上被晶體管電路壟斷。與電子管發(fā)生器相比，晶體管發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)在于體積小、重量輕、效率高。但從另一方面講由于受到方向擊穿電壓、最大集電極電流、最大集電極耗散功率參數(shù)的限制，通常一對(duì)晶體管的最大輸出功率只能達(dá)到百瓦級(jí)。要提高晶體管發(fā)生器的輸出能力，除了有賴于搞性能器件外，還必須采用高效率的電路。傳統(tǒng)的甲類、乙類、丙類放大器是把有源器件作為電流源工作。在這些放大器中，晶體管工作在伏安特性曲線的有源區(qū)。集電極電流受基極激勵(lì)信號(hào)控制作相應(yīng)變化。 (2)低壓驅(qū)動(dòng)電路 本機(jī)采用高壓小電流功放電路，由兩只三極管和耦合變壓器構(gòu)成，見圖6。為了避免兩只功放管同時(shí)導(dǎo)通，導(dǎo)致內(nèi)部功耗增加，兩管的導(dǎo)通時(shí)間必須錯(cuò)開，使它們?cè)诮惶婀ぷ鲿r(shí)有一段同時(shí)截止的時(shí)間。為此，三極管P1和P2對(duì)振蕩器的輸出作反相處理，三極管選用PNP型的8550。低壓驅(qū)動(dòng)電路所用的電源是直流12V，而功放電路的電源是交流220V，在三極管后加入一個(gè)耦合變壓器，完成高低壓隔離的任務(wù)。 圖6 低壓驅(qū)動(dòng)電路圖 (3)功放匹配電路功放電路 如圖7所示。電路由兩個(gè)VMOS功率場(chǎng)效應(yīng)管2SK791構(gòu)成。具有線性度高、頻率響應(yīng)好、開關(guān)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是理想的開關(guān)元件。但其關(guān)斷特性在電流小時(shí)并不理想，下降沿有拖尾。 圖7 功放電路 2.4 高頻驅(qū)動(dòng)和匹配電路 超聲發(fā)生器與一般放大器的一個(gè)重要區(qū)別在于它的匹配電路部分。一般放大器與負(fù)載之間的匹配只牽涉到阻抗變換，而超聲波發(fā)生器與負(fù)載之間的匹配則除了阻抗變換之外，還有一項(xiàng)很重要的內(nèi)容—調(diào)諧，即選用一定值的阻抗元件，使之在工作頻率上與負(fù)載中的電抗成分諧振。只有在同時(shí)進(jìn)行了阻抗變換和調(diào)諧之后，整個(gè)系統(tǒng)才算是達(dá)到了匹配，換能器才能正常工作。 高頻驅(qū)動(dòng)和匹配電路如圖8 圖8高頻驅(qū)動(dòng)和匹配電路 超聲波清洗機(jī)中的匹配電路是將發(fā)生器輸出的電能送往換能器的通道。匹配電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單(通常只有一個(gè)匹配電感)，卻具有重要作用。相同型號(hào)的清洗機(jī)，匹配調(diào)得好的清洗效果好；匹配調(diào)得差的則清洗效果差。對(duì)同一臺(tái)機(jī)器而言，如果工作一段時(shí)間后清洗效果變差，或者換能器經(jīng)過更換，都需要重新調(diào)整匹配。與一般電子設(shè)備的匹配有所不同，超聲清洗機(jī)的匹配除了要解決變阻問題(即變換負(fù)載的阻值，使之與發(fā)生器的最佳負(fù)載值相等)外，還要解決調(diào)諧問題，即用匹配電感的感抗抵消換能器的容抗，使換能器呈純阻性。技術(shù)人員通常是根據(jù)各自的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行匹配。例如，有人在改變清洗槽水位時(shí)觀察電流的變化，如果電流變化處于一定范圍之內(nèi)，同時(shí)管子不發(fā)熱，空化聲強(qiáng)，便認(rèn)為匹配已調(diào)好。也有人讓機(jī)器空載時(shí)稍，微呈電感性，而在加載后轉(zhuǎn)變?yōu)榧冏锠顟B(tài)。這些經(jīng)驗(yàn)都是適用的。但在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再掌握匹配的原理，就可以在匹配時(shí)有的放矢，更加主動(dòng)，從而收到事半功倍的效果。 第三章 超聲波換能器設(shè)計(jì) 3.1換能器的選擇 用于超聲清洗的換能器有兩種類型．一是磁致伸縮換能器，另一種是壓電換能器，磁致伸縮換能器這種換能器的電聲效率比較低．而且金屬鎳材料價(jià)格昂貴，制造工藝復(fù)雜，所以目前很少采用還有一種用鐵氧體材料做成的磁斂伸縮換能器，雖然其電聲效率比較高，但機(jī)械強(qiáng)度低，所能承受的電功率容量小，因而目前我國(guó)也很少應(yīng)用目前我國(guó)主要采用壓電換能器，因?yàn)檫@種換能器的電聲轉(zhuǎn)換效率高．原材料價(jià)格便宜，而且便于制造不同的結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的清洗要求。壓電換能器又有很多種如圓柱形、喇叭形等。經(jīng)過對(duì)比最后確定選用喇叭形夾心壓電換能器作為此次的換能器。 換能器是用來進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換為另一種形式的能量的裝置。在聲學(xué)研究領(lǐng)域中，換能器主要是指電聲換能器，它能實(shí)現(xiàn)電能和聲能之間的相互轉(zhuǎn)換。超聲波換能器的特性參數(shù)包括共振頻率、頻帶寬度、機(jī)電耦合系數(shù)、電聲效率、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)、阻抗特性、指向性、發(fā)射及接收靈敏度等不同用途的換能器對(duì)性能參數(shù)的要求是不同的，如對(duì)于發(fā)射超聲波換能器，要求換能器有大的輸出功率和高的能量轉(zhuǎn)換效率；而對(duì)于接收型超聲波換能器，則要求寬的頻帶和高的靈敏度等 。因此，在換能器具體設(shè)計(jì)過程中，必須根據(jù)具體的應(yīng)用，對(duì)換能器的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。 3.2換能器的設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)如圖9所示的換能器，設(shè)前蓋板、壓電陶瓷堆及后蓋板的特性阻抗分別為、、（， 分別是密度、聲速和截面積），長(zhǎng)度分別為、和。頻率方程可由等效傳輸線理論求得。把換能器看做等效傳輸線，對(duì)應(yīng)于自由端其阻抗為零，對(duì)應(yīng)于節(jié)點(diǎn)處，其阻抗為無窮大，對(duì)均勻截面細(xì)棒如圖10其阻抗變換關(guān)系為 式中，為棒的特性阻抗；是右端的負(fù)載阻抗；是從棒左端看的阻抗；k是波數(shù)。其阻抗變換關(guān)系可以用mobius變換方法設(shè)，，則有 錐形棒 且， 阻抗的反變換為 節(jié)面在前后蓋板長(zhǎng)度滿足： 由上式得 mm 圖9 喇叭形換能器結(jié)構(gòu) 圖10 等截面細(xì)棒阻抗變換 第四章 清洗槽設(shè)計(jì) 清洗槽由內(nèi)槽和外殼組成．內(nèi)槽的外表面(一般在槽底外表)粘結(jié)超聲換能器，槽內(nèi)盛清洗液．槽一般用耐腐蝕的不銹鋼板制成，過于厚會(huì)影響聲的輻射．槽的內(nèi)壁，尤其是粘有換能器的輻射板要平整拋光，不能有傷痕，否則易產(chǎn)生空化腐蝕，縮短使用壽命．為避免被清洗工件直接與槽壁板接觸而劃傷，一般用鏤空吊籃(網(wǎng)籃)或支架將清洗件懸吊在清洗液中．網(wǎng)籃的骨架應(yīng)盡可能地小而輕，一般用不銹鋼絲編成或用其它反射聲良好的材料做成．結(jié)構(gòu)上要使超聲波受阻小而清洗液易于流動(dòng)．內(nèi)槽的尺寸要根據(jù)清洗件的大小和形狀而定．清洗件的總表面積不應(yīng)大于內(nèi)槽的體積．粘有換能器的輻射板(如槽底板)所承受的電功率強(qiáng)度一般低于1．5 W／an2(用壓電換能器時(shí)．大多數(shù)應(yīng)在0．5～1 w／cm2之間)．過高的強(qiáng)度會(huì)加速輻射板表面的空化腐蝕，同時(shí)由于過劇烈的空化所產(chǎn)生的氣泡會(huì)影響能量傳遞，使遠(yuǎn)離輻射面的液體空間聲強(qiáng)變?nèi)醵_(dá)不到均勻清洗的目的．在普通的清洗槽中，由于液面的反射，在清洗槽中會(huì)產(chǎn)生的駐波，使得在液體空間有些區(qū)域聲壓最小(波節(jié)處)，有些地方聲壓最大(波腹處)而造成清洗干凈程度不均勻．為減少駐波的形成，有時(shí)清洗槽的形狀要特別設(shè)計(jì)，或采取其他措施，例如掃頻工作方式．清洗件在槽中的排列要有一定的間隔，而最窄小的面應(yīng)朝向換能器的輻射面，以免妨礙聲輻射到整個(gè)清洗槽空間 內(nèi)槽尺寸為400×360×200mm，超聲波功率為500瓦；外槽尺寸為420×490×380mm；超聲波發(fā)生器電路箱為224×100×135mm，由六個(gè)直徑為4.5毫米的螺紋固定。 參考文獻(xiàn)： [1] 曹風(fēng)國(guó). 超聲加工技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2005(1) [2] 張海燕．超聲波清洗技術(shù)[J]．近代物理知識(shí)，2002(6) [3] 白基成 郭永豐. 特種加工技術(shù)[M].哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2006(1) [4] 胡傳忻 夏志東. 特種加工手冊(cè)[M].北京工業(yè)大學(xué)出版社，2007(9) [5] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，1987(6) [6] 艾小洋．中國(guó)工業(yè)清洗領(lǐng)域的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[M]．現(xiàn)代制造，2004(2) [7] 欒桂冬 張金鐸. 王仁乾．壓電換能器和換能器陣[M]．修訂版；北京大學(xué)出版社，2005(9) 19 湘潭大學(xué)興湘學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見 學(xué)號(hào)：2006183919姓名： 謝鑫 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 42 頁(yè) 圖 表 4 張 論文（設(shè)計(jì)）題目： 超聲波清洗機(jī) 內(nèi)容提要： 此次設(shè)計(jì)的超聲波清洗機(jī)主要應(yīng)用于家庭中廚具和一些難洗的生活用具。 該產(chǎn)品是一種機(jī)電產(chǎn)品，通過壓電陶瓷材料做成的超聲波換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變成 機(jī)械振動(dòng)，在液體中產(chǎn)生超聲波振動(dòng)進(jìn)行清洗。這種新一代時(shí)尚家電，能夠使人們從繁 瑣的家務(wù)勞動(dòng)中解脫出來。本次設(shè)計(jì)分析了超聲波發(fā)生器電路，根據(jù)所需功率和較好的 清洗頻率，計(jì)算設(shè)計(jì)了超聲波振蕩器電路，然后對(duì)其進(jìn)行功放匹配，設(shè)計(jì)出超聲波放大 器，為了能產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率，有對(duì)其設(shè)計(jì)了匹配電路，對(duì)超聲波清洗槽進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì) 并對(duì)其進(jìn)行了工程制圖，并編寫超聲波清洗機(jī)設(shè)計(jì)說明書 指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ) 較好的完成了超聲波清洗機(jī)中超聲波發(fā)生器的電路設(shè)計(jì)，電路穩(wěn)定、合理，清洗槽的 結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理，簡(jiǎn)單實(shí)用。 設(shè)計(jì)期間遵守校紀(jì)校規(guī)，表現(xiàn)良好，成績(jī)建議評(píng)為中等。 指導(dǎo)教師： 年 月 日 答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ) 答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日 2.3機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 按照抓取工件的要求，車床上料機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，及手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)有氣缸來實(shí)現(xiàn)。 2.3.1機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人手臂的作用，是在一定的載荷和一定的速度下，實(shí)現(xiàn)在機(jī)器人所要求的工作空間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。在進(jìn)行機(jī)器人手臂設(shè)計(jì)時(shí)，要遵循下述原則； 1.應(yīng)盡可能使機(jī)器人手臂各關(guān)節(jié)軸相互平行；相互垂直的軸應(yīng)盡可能相交于一點(diǎn)，這樣可以使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆運(yùn)算簡(jiǎn)化，有利于機(jī)器人的控制。 2.機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)滿足機(jī)器人工作空間的要求。工作空間的形狀和大小與機(jī)器人手臂的長(zhǎng)度，手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍有密切的關(guān)系。但機(jī)器人手臂末端工作空間并沒有考慮機(jī)器人手腕的空間姿態(tài)要求，如果對(duì)機(jī)器人手腕的姿態(tài)提出具體的要求，則其手臂末端可實(shí)現(xiàn)的空間要小于上述沒有考慮手腕姿態(tài)的工作空間。 3.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與控制精度，應(yīng)在保證機(jī)器人手臂有足夠強(qiáng)度和剛度的條件下，盡可能在結(jié)構(gòu)上、材料上設(shè)法減輕手臂的重量。力求選用高強(qiáng)度的輕質(zhì)材料，通常選用高強(qiáng)度鋁合金制造機(jī)器人手臂。目前，在國(guó)外，也在研究用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)器人手臂。碳纖維復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度高，抗振性好，比重?。ㄆ浔戎叵喈?dāng)于鋼的1/4，相當(dāng)于鋁合金的2/3），但是，其價(jià)格昂貴，且在性能穩(wěn)定性及制造復(fù)雜形狀工件的工藝上尚存在問題，故還未能在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。目前比較有效的辦法是用有限元法進(jìn)行機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在保證所需強(qiáng)度與剛度的情況下，減輕機(jī)器人手臂的重量。 4.機(jī)器人各關(guān)節(jié)的軸承間隙要盡可能小，以減小機(jī)械間隙所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。因此，各關(guān)節(jié)都應(yīng)有工作可靠、便于調(diào)整的軸承間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。 5.機(jī)器人的手臂相對(duì)其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在重量上平衡，這對(duì)減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。在設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂時(shí)，應(yīng)盡可能利用在機(jī)器人上安裝的機(jī)電元器件與裝置的重量來減小機(jī)器人手臂的不平衡重量，必要時(shí)還要設(shè)計(jì)平衡機(jī)構(gòu)來平衡手臂殘余的不平衡重量。 6.機(jī)器人手臂在結(jié)構(gòu)上要考慮各關(guān)節(jié)的限位開關(guān)和具有一定緩沖能力的機(jī)械限位塊，以及驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及其它元件的安裝。 2.3.2設(shè)計(jì)具體采用方案 機(jī)械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運(yùn)動(dòng)都為直線運(yùn)動(dòng)。直線運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)一般是氣動(dòng)傳動(dòng)，液壓傳動(dòng)以及電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)。考慮到搬運(yùn)工件的重量較大，考慮加工工件的質(zhì)量達(dá)30KG，屬中型重量，同時(shí)考慮到機(jī)械手的動(dòng)態(tài)性能及運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，安全性，對(duì)手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅(qū)動(dòng)均選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，通過液壓缸的直接驅(qū)動(dòng)，液壓缸既是驅(qū)動(dòng)元件，又是執(zhí)行運(yùn)動(dòng)件，不用再設(shè)計(jì)另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的控制。 因?yàn)橐簤合到y(tǒng)能提供很大的驅(qū)動(dòng)力，因此在驅(qū)動(dòng)力和結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度都是比較容易實(shí)現(xiàn)的，關(guān)鍵是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設(shè)計(jì)原則是缸的直徑取得大一點(diǎn)（在整體結(jié)構(gòu)允許的情況下），再進(jìn)行強(qiáng)度的較核。 同時(shí)，因?yàn)榭刂坪途唧w工作的要求，機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)另外增設(shè)了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，小臂增設(shè)了兩個(gè)導(dǎo)桿，與活塞桿一起構(gòu)成等邊三角形的截面形式，盡量增加其剛度；大臂增設(shè)了四個(gè)導(dǎo)桿，成正四邊形布置，為減小質(zhì)量，各個(gè)導(dǎo)桿均采用空心結(jié)構(gòu)。通過增設(shè)導(dǎo)桿，能顯著提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性的問題。 2.4機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)器人的手臂運(yùn)動(dòng)（包括腰座的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)），給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)位置，而安裝在機(jī)器人手臂末端的手腕，則給出了機(jī)器人末端執(zhí)行器在其工作空間中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。機(jī)器人手腕是機(jī)器人操作機(jī)的最末端，它與機(jī)器人手臂配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)安裝在手腕上的末端執(zhí)行器的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，完成所需要的作業(yè)動(dòng)作。 2.4.1機(jī)器人手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求 1.機(jī)器人手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)作業(yè)需要來設(shè)計(jì)。機(jī)器人手腕自由度數(shù)目愈多，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)角度愈大，則機(jī)器人腕部的靈活性愈高，機(jī)器人對(duì)對(duì)作業(yè)的適應(yīng)能力也愈強(qiáng)。但是，自由度的增加，也必然會(huì)使腕部結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，機(jī)器人的控制更困難，成本也會(huì)增加。因此，手腕的自由度數(shù)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際作業(yè)要求來確定。在滿足作業(yè)要求的前提下，應(yīng)使自由度數(shù)盡可能的少。一般的機(jī)器人手腕的自由度數(shù)為2至3個(gè)，有的需要更多的自由度，而有的機(jī)器人手腕不需要自由度，僅憑受臂和腰部的運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)作業(yè)要求的任務(wù)。因此，要具體問題具體分析，考慮機(jī)器人的多種布局，運(yùn)動(dòng)方案，選擇滿足要求的最簡(jiǎn)單的方案。 2.機(jī)器人腕部安裝在機(jī)器人手臂的末端，在設(shè)計(jì)機(jī)器人手腕時(shí)，應(yīng)力求減少其重量和體積，結(jié)構(gòu)力求緊湊。為了減輕機(jī)器人腕部的重量，腕部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器采用分離傳動(dòng)。腕部驅(qū)動(dòng)器一般安裝在手臂上，而不采用直接驅(qū)動(dòng)，并選用高強(qiáng)度的鋁合金制造。 3.機(jī)器人手腕要與末端執(zhí)行器相聯(lián)，因此，要有標(biāo)準(zhǔn)的聯(lián)接法蘭，結(jié)構(gòu)上要便于裝卸末端執(zhí)行器。 4.機(jī)器人的手腕機(jī)構(gòu)要有足夠的強(qiáng)度和剛度，以保證力與運(yùn)動(dòng)的傳遞。 5.要設(shè)有可靠的傳動(dòng)間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小空回間隙，提高傳動(dòng)精度。 6.手腕各關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)要有限位開關(guān)，并設(shè)置硬限位，以防止超限造成機(jī)械損壞。 2.4.2設(shè)計(jì)具體采用方案 通過對(duì)數(shù)控機(jī)床上下料作業(yè)的具體分析，考慮數(shù)控機(jī)床加工的具體形式及對(duì)機(jī)械手上下料作業(yè)時(shí)的具體要求，在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，降低控制的難度，本設(shè)計(jì)手腕不增加自由度，實(shí)踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個(gè)自由度來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的上下料完全足夠。具體的手腕（手臂手爪聯(lián)結(jié)梁）結(jié)構(gòu)見圖8。 圖8 車床上料機(jī)械手手指 2.5機(jī)械手末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.5.1機(jī)械手末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)要求 機(jī)器人末端執(zhí)行器是安裝在機(jī)器人手腕上用來進(jìn)行某種操作或作業(yè)的附加裝置。機(jī)器人末端執(zhí)行器的種類很多，以適應(yīng)機(jī)器人的不同作業(yè)及操作要求。末端執(zhí)行器可分為搬運(yùn)用、加工用和測(cè)量用等。 搬運(yùn)用末端執(zhí)行器是指各種夾持裝置，用來抓取或吸附被搬運(yùn)的物體。 加工用末端執(zhí)行器是帶有噴槍、焊槍、砂輪、銑刀等加工工具的機(jī)器人附加裝置，用來進(jìn)行相應(yīng)的加工作業(yè)。 測(cè)量用末端執(zhí)行器是裝有測(cè)量頭或傳感器的附加裝置，用來進(jìn)行測(cè)量及檢驗(yàn)作業(yè)。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時(shí)，應(yīng)注意以下問題； 1.機(jī)器人末端執(zhí)行器是根據(jù)機(jī)器人作業(yè)要求來設(shè)計(jì)的。一個(gè)新的末端執(zhí)行器的出現(xiàn)，就可以增加一種機(jī)器人新的應(yīng)用場(chǎng)所。因此，根據(jù)作業(yè)的需要和人們的想象力而創(chuàng)造的新的機(jī)器人末端執(zhí)行器，將不斷的擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域。 2.機(jī)器人末端執(zhí)行器的重量、被抓取物體的重量及操作力的總和機(jī)器人容許的負(fù)荷力。因此，要求機(jī)器人末端執(zhí)行器體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。 3.機(jī)器人末端執(zhí)行器的萬能性與專用性是矛盾的。萬能末端執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜，甚至很難實(shí)現(xiàn)，例如，仿人的萬能機(jī)器人靈巧手，至今尚未實(shí)用化。目前，能用于生產(chǎn)的還是那些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、萬能性不強(qiáng)的機(jī)器人末端執(zhí)行器。從工業(yè)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)著重開發(fā)各種專用的、高效率的機(jī)器人末端執(zhí)行器，加之以末端執(zhí)行器的快速更換裝置，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多種作業(yè)功能，而不主張用一個(gè)萬能的末端執(zhí)行器去完成多種作業(yè)。因?yàn)檫@種萬能的執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴。 4.通用性和萬能性是兩個(gè)概念，萬能性是指一機(jī)多能，而通用性是指有限的末端執(zhí)行器，可適用于不同的機(jī)器人，這就要求末端執(zhí)行器要有標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械接口（如法蘭），使末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和積木化。 5.機(jī)器人末端執(zhí)行器要便于安裝和維修，易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。用計(jì)算機(jī)控制最方便的是電氣式執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此，工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的主流是電氣式，其次是液壓式和氣壓式（在驅(qū)動(dòng)接口中需要增加電-液或電-氣變換環(huán)節(jié)）。 2.5.2機(jī)器人夾持器的運(yùn)動(dòng)和驅(qū)動(dòng)方式 機(jī)器人夾持器及機(jī)器人手爪。一般工業(yè)機(jī)器人手爪，多為雙指手爪。按手指的運(yùn)動(dòng)方式，可分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，按夾持方式來分，有外夾式和內(nèi)撐式兩種。 機(jī)器人夾持器（手爪）的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種 1.氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是用電磁閥來控制手爪的運(yùn)動(dòng)方向，用氣流調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。由于氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格較低，所以氣動(dòng)夾持器在工業(yè)中應(yīng)用較為普遍。另外，由于氣體的可壓縮性，使氣動(dòng)手爪的抓取運(yùn)動(dòng)具有一定的柔順性，這一點(diǎn)是抓取動(dòng)作十分需要的。 2.電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式電動(dòng)驅(qū)動(dòng)手爪應(yīng)用也較為廣泛。這種手爪，一般采用直流伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)，并需要減速器以獲得足夠大的驅(qū)動(dòng)力和力矩。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式可實(shí)現(xiàn)手爪的力與位置控制。但是，這種驅(qū)動(dòng)方式不能用于有防爆要求的條件下，因?yàn)殡姍C(jī)有可能產(chǎn)生火花和發(fā)熱。 3.液壓驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)傳動(dòng)剛度大，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)位置控制。 2.5.3機(jī)器人夾持器的典型結(jié)構(gòu) 1.楔塊杠桿式手爪 利用楔塊與杠桿來實(shí)現(xiàn)手爪的松、開，來實(shí)現(xiàn)抓取工件。 2.滑槽式手爪 當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應(yīng)抓取大小不同的物體。 3.連桿杠桿式手爪 這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力。通常與彈簧聯(lián)合使用。 4.齒輪齒條式手爪 這種手爪通過活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開動(dòng)作。 5.平行杠桿式手爪 采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。 2.5.4設(shè)計(jì)具體采用方案 結(jié)合具體的工作情況，本設(shè)計(jì)采用連桿杠桿式的手爪。驅(qū)動(dòng)活塞往復(fù)移動(dòng)，通過活塞桿端部齒條，中間齒條及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調(diào)定。本設(shè)計(jì)按照工件的直徑為80--130mm來設(shè)計(jì)。手爪的具體結(jié)構(gòu)形式如圖9所示： 圖9 手爪的具體結(jié)構(gòu) 2.6機(jī)械手的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2.6.1工業(yè)機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題 機(jī)器人是由多級(jí)聯(lián)桿和關(guān)節(jié)組成的多自由度的空間運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。除直接驅(qū)動(dòng)型機(jī)器人以外，機(jī)器人各聯(lián)桿及各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)都是由驅(qū)動(dòng)器經(jīng)過各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的。機(jī)器人所采用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與一般機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相類似。常用的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有螺旋傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、同步帶傳動(dòng)、高速帶傳動(dòng)等。由于傳動(dòng)部件直接影響著機(jī)器人的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，因此，應(yīng)設(shè)計(jì)和選擇滿足傳動(dòng)間隙小，精度高，低摩擦、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、響應(yīng)速度快、傳遞轉(zhuǎn)矩大、諧振頻率高以及與伺服電動(dòng)機(jī)等其它環(huán)節(jié)的動(dòng)態(tài)性能相匹配等要求的傳動(dòng)部件。 在設(shè)計(jì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)時(shí)要注意以下問題： 1.為了提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度及控制精度，要求機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件的重量要輕，慣量要小。因此，機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，體積小。 2.在傳動(dòng)鏈及運(yùn)動(dòng)副中要采用間隙調(diào)整機(jī)構(gòu)，以減小反向空回所造成的運(yùn)動(dòng)誤差。 3.系統(tǒng)傳動(dòng)部件的靜摩擦力應(yīng)盡可能小，動(dòng)摩擦力應(yīng)是盡可能小的正斜率，若為負(fù)斜率則易產(chǎn)生爬行，精度降低，壽命減小。因此，要采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向支承部件，如滾珠絲杠副、滾動(dòng)導(dǎo)向支承等。 4.縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支承剛度，如用預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動(dòng)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)和支承剛度；采用大扭矩、寬調(diào)速的直流或交流伺服電機(jī)直接與絲杠螺母副連接，以減小中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；絲杠的支承設(shè)計(jì)采用兩端軸向預(yù)緊或預(yù)拉伸支承結(jié)構(gòu)等。 5.選用最佳傳動(dòng)比，以達(dá)到提高系統(tǒng)分辨率、減少等效到執(zhí)行元件輸出軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，盡可能提高加速能力。 6.縮小反向死區(qū)誤差，如采取消除傳動(dòng)間隙、減少支承變形等措施。 7.適當(dāng)?shù)淖枘岜?，機(jī)械零件產(chǎn)生共振時(shí)，系統(tǒng)的阻尼越大，最大振幅就越小，且衰減越快；但大阻尼也會(huì)使系統(tǒng)的失動(dòng)量和反轉(zhuǎn)誤差增大，穩(wěn)態(tài)誤差增大，精度降低。故在設(shè)計(jì)時(shí)要使傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的阻尼合適。 2.6.2工業(yè)機(jī)器人常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式 1.齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 在機(jī)器人中常用的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)有圓柱齒輪，圓錐齒輪，諧波齒輪，擺線針輪及蝸輪蝸桿傳動(dòng)等。 機(jī)器人系統(tǒng)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的一些問題 齒輪傳動(dòng)形式及其傳動(dòng)比的最佳匹配選擇。齒輪傳動(dòng)部件是轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的變換器用于伺服系統(tǒng)的齒輪減速器是一個(gè)力矩變換器。齒輪傳動(dòng)比應(yīng)滿足驅(qū)動(dòng)部件與負(fù)載之間的位移及轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的匹配要求，其輸入電動(dòng)機(jī)為高轉(zhuǎn)速，低轉(zhuǎn)矩，而輸出則為低轉(zhuǎn)速，高轉(zhuǎn)矩。故齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)要有足夠的剛度，還要求其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小，以便在獲得同一加速度時(shí)所需的轉(zhuǎn)矩小，即在同一驅(qū)動(dòng)功率時(shí)，其加速度響應(yīng)最大。齒輪的嚙合間隙會(huì)造成傳動(dòng)死區(qū)（失動(dòng)量），若該死區(qū)是閉環(huán)系統(tǒng)中，則可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，常使系統(tǒng)產(chǎn)生低頻振蕩，因此要盡量采用齒側(cè)間隙小，精度高的齒輪；為盡量降低制造成本，要采用調(diào)整齒側(cè)間隙的方法來消除或減小嚙合間隙，從而提高傳動(dòng)精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 2.3 manipulator arm structure design According to the requirement, lathe to grab workpiece material arm has three degrees of freedom of the manipulator arm, and adjustable, turning around and drop (or pitch) movement.Turn and lifting movement of the arm is realized by pillar, column the lateral movement known as the shifting arm. Different campaigns have cylinder arm to realize. 2.3.1 manipulator arm design requirements The robotic arm role, it is in a certain load and a certain speed, realize the work required in robot in space sport. When designing the robotic arm, follow the following principles; 1. Should as far as possible make the robotic arm each joint axis parallel; Perpendicular axis should as far as possible fellowship in a bit, so can make the robot kinematics inverse robot control simplifies, helps. 2. The robotic arm structure size should satisfy the requirements of robots work space. Working space shapes and sizes and robot arm length, arm joint rotation range have close relationship. But the robotic arm end work space does not consider the space robot wrist gesture requirements, if robot wrist gesture to specific request, it can realize space arms ends to less than the above did not consider the wrist gesture work space. 3. In order to improve the robot movement speed and control accuracy, should keep the robotic arm have enough under the condition of the strength and stiffness, as far as possible on the structure, material manage to reduce the weight of his arm. Strive to choose high intensity of lightweight materials, usually choose high-strength aluminum alloy manufacture a robotic arm. At present, in a foreign country, is also studying with carbon fiber composite materials manufacturing robot arm. Carbon fiber composite materials tensile strength, high ant-vibration sex good, small proportion (its proportion of 1/4 quite to steel, equivalent to aluminum alloy 2/3), but it is expensive, and in the performance stability and manufacturing complex shape workpiece exist problems of technology, it is not in application in practical production. At present more effective method is to use the finite element method for the optimization design of the robotic arm structure. The intensity and stiffness in ensuring the required under the weight of his arm, reduce the robot. 4. The robot of each joint bearing clearance as small as possible, in order to reduce to mechanical clearance error motion caused. Therefore, the joints should have reliable operation, easy adjustment bearing clearance adjustment institutions. 5. The robot arm relative to rotate the joints should as far as possible under the weight of the balance, the mechanical load and enhance decreases the response speed of the robotic arm movement is very favorable. In the design of robot arm, should as far as possible use in the robot of mechanical and electronic components and devices installed the weight of robotic arm to reduce weight, the unbalanced balancing mechanism when necessary to balance design remnants of unbalanced weight arm. 6. The robotic arm on the structure to consider all the joints with certain limit switches and buffering mechanical set blocks, and driving device, transmission mechanism and other components installed. 2.3.2 Design specific using scheme Manipulator arm (arm) vertical lifting and level of arm (forearm) for linear motion telescopic movement. Linear motion realization is generally pneumatic transmission, hydraulic transmission and motor drive the ball screw to achieve. Considering the weight of carrying workpieces larger, consider the machining quality reaches the 30KG, belong to medium weight of the manipulator, and considering the stability of the dynamic performance and movement of the arm, the stiffness of safety, have higher demand. Comprehensive consideration, two arms driver all choose hydraulic drive mode, through hydraulic cylinder of direct drive, hydraulic cylinder is drive component and executive moving parts, and not to design another executive pieces; And the hydraulic cylinder realizing linear motion control simple, easy to realize the computer control. For hydraulic system can provide great motivation, so in driving force and structural strength are relatively easy to implement, and the key is manipulator of stability and stiffness of the sports meet. Therefore the arm hydraulic cylinder of design principle is the diameter of the cylinder made great point (in overall structure's permission), then a nuclear strength. manipulator arm cannot too big, if only by increasing the hydraulic cylinder of cylinder size to increase stiffness, cannot satisfy the system is the rigidity requirement. Therefore, in the design of the additional guide-bar mechanism, forearm add two guide bar, and piston rod together constitute an equilateral triangle section form, try to increase its stiffness; Big arms add four guide bar, a positive quadrilateral layout, to reduce the quality, each guide bar adopts hollow structure. By adding a guide bar, can significantly improve the stability and stiffness of the manipulator movement, good solve structure, reliability problems. 2.4 structure design of robot wrist Robot arm movement (including the waist of the seat, and gives the rotary motion) robot end actuators in its working space position, which the movement in the end of the installation of robotic arm, then gives the wrist robot end actuators in the motion of its working space gesture. CaoZuoJi robot wrist is the end of the robot, and the robotic arm with exercise, realize the end of installation of wrist of actuators space with movement trajectory posture, finish the homework action needed. 2.4.1 The robot wrist structure design requirements 1. Freedom of robot wrist readings, should according to assignments need to design. The more robot wrist freedom, the number of each joint Angle, the robot wrist the greater flexibility of the robot is higher, the adaptability also rightness homework more strong. However, the increase of freedom, also will make the wrist structure more complex, robot control more difficult, costs will increase. Therefore, the wrist of freedom, should according to actual operation degree is required to determine. In meet operational requirements of the premise, should make free degree as less. General robot wrist freedom for 2 to 3 degree, some needs more freedom, and some robot wrist don't need freedom, with only the movement by the arm and waist can achieve operational requirements of the task. Therefore, to the concrete analysis of multiple layouts, consider robot, sports scheme, choose the simplest satisfy the requirements of the plan. 2. Robot wrist installed in the end of robot arm robot wrist, in the design, should strive to reduce the weight and volume to compact structure. In order to reduce the weight of robot wrist, wrist institutions drive sperating transmission. Wrist drive general installation in the arm, and do not adopt direct drive, and choose high-strength aluminum alloy manufacture. 3. Robot wrist to and end actuators connected, accordingly, want to have the standard connection to facilitate the flange, structure of loading and unloading end actuators. 4. Robot wrist institutions should have enough strength and stiffness, strength and movement to ensure the relay. 5. To have reliable transmission gap adjusting mechanism, to minimize returned empty clearance, improve the transmission precision. 6. The wrist of each joint axis rotation to limited a switch, and set limit to prevent hard out-of-gauge cause mechanical damage. 2.4.2 design specific adopts plan Through the nc machine tools for feeding and unloading operations, considering the concrete analysis of concrete form CNC machine processing and manipulator up-down material operations in the specific requirements, and technological requirements of meet the system under the premise of improving safety and reliability of the structure of the manipulator, to make as far as possible simple, reduce the difficulty of the design and control of freedom, not to increase his wrist proved it is fully meet operational requirements of the three degrees of freedom, to realize the up-down material completely enough machine. Specific wrist (arms PAWS coupling beam) structure see figure 8. Figure 8 . Lathe feeding manipulator finger 2.5 manipulator actuators (PAWS) structure designing 2.5.1 manipulator actuator design requirements Robot end actuator is installed on the robot wrist used for an operation or additional device homework. Robot end, many different kinds of actuators, in order to adapt to the different assignments and operation robot requirements. End actuators can be divided into move use, processing with with and measurement etc. Move use end actuators refers to all clamping device used to grab or adsorption transported objects. Processing with end actuators with gun, welding torch is milling cutter, grinding wheel, such as the robot machining tool, used for additional device corresponding processing work. With end actuator is measured with the additional head or sensors measuring device used to measuring and test operations. In design robot end actuators, should pay attention to the following questions; 1. The robot end actuator is designed according to the operation requirement robot. A new terminal actuators occurrence, can increase a robotic new application places. Accordingly, according to the needs of the homework with people and create a new robot imagination, will continue at actuators expansion of the application field of robot. 2. The weight of the robot end actuators to grab objects and the sum of weight and operating force the load force. The robot allow Therefore, request the end-effector actuators small volume, light weight, compact structure. 3. The end-effector actuators with specificity is universal sexual paradox. Universal end actuators on the structure is complex, and even harder to achieve, for example, the universal humanoid multisensory dexterous robot hand yet practional utilization. At present, can be used to produce or those simple structure, universal sex not strong robot end actuators. Starting from the industrial application, should focus on the development of special, efficient robot end actuators, plus end actuators, in order to achieve the fast changing device of function, the robot is not advocated homework with a universal end actuators to complete variety of homework. Because this kind of everything the implementation of the structure is complex and expensive. 4. Versatility and universal sex are two concepts, universal sex machine, and refers to the multi-energy refers to the end of generality, limited actuators, suitable for different robots, which requires the end actuators have standard machine interface (such as flange), make end actuators realizes standardization and blocks digestion. 5. The end-effector actuators to facilitate installation and maintenance, easy to realize the computer control. Use computer control the most convenient is electric type actuator. Therefore, the industrial robot actuators mainstream is electric type, followed by the hydraulic and pneumatic type (in driving interface to increase electricity - liquid or electricity - air transform link). 2.5.2 robot grippers sports and drive mode Robot grippers and machine hand claw. General industrial machine hand for double refers to how claws, PAWS. According to finger movement way, can be divided into back transformation and mobile type, press clamping way to points, within the clip type and supporting type two kinds. Robot grippers (PAWS) drive mode basically has 3 kinds 1. Pneumatic drive mode this drive system is by electromagnetic valve to control the movement direction of the PAWS, with air regulator to adjust its movement speed. The pneumatic drive system of lower prices, so pneumatic grippers are widely used in industry. In addition, because gas compressibility, contentious hands-on claw grab motion has certain compliant sex, it is very need to grab action. 2. Electric drive mode of electric drive PAWS application also more widely. The PAWS, generally USES the dc servo motor or stepping motor, and need to get enough gear reducer driving force and torque. Electric drive mode can realize the force PAWS with position control. But this cannot be used for driving way under the condition of a explosion-proof requirements, because motor may produce sparks and fever. 3. Hydraulic drive mode hydraulic drive system transmission can achieve great stiffness.wherever continuous position control. 2.5.3 The typical structure robot grippers 1. Leveraged wedge PAWS Using wedge block and levers to realize the pine, open PAWS, come to grab workpiece. 2. Slide groove PAWS When the pistons forward movement, sliding channel through the pin PAWS merger, pushing produce clamping action and clamping force, when the pistons backward motion, PAWS loosen. This trip is larger, PAWS switching to grab different sizes of the object. 3. Connecting rod leveraged PAWS The PAWS in Detroit, connecting rod and leverage thrust PAWS produce clamped to relax) movement, because (the force-magnifying function, leverage the PAWS might produce larger clamping force. Usually use a combination of and the spring. 4. Rack-and pinion type PAWS The PAWS through the pistons pushing rack, rack driving gear rotating, produce the clamping PAWS with loosen action. 5. Parallel leveraged PAWS Adopt parallelogram frame, so there is no need to guide can guarantee to keep the two fingers PAWS with parallel movement, the parallel rails than PAWS friction move to smaller. 2.5.4 design specific adopts plan Combined with concrete works, this design USES the connecting rod of lever PAWS. Driven by piston, piston rod ends move, the middle rack and rack is fan rack makes the fingers open or closed. The minimum opening finger by machining diameter to the setting. This design according to the workpiece diameter of 80-130mm to design. The concrete structure form PAWS shown as shown in figure 9: Figure 9 The specific structure PAWS 2.6 manipulator mechanical transmission design 2.6.1 industrial robot transmission mechanism design problems should be paid attention to Robot is by multistage league stem and joint space composed of multi-degree-of-freedom sports organization. In addition to direct drive robot, robot outside each league rod and exercise is of each joint by drive through all kinds of mechanical transmission mechanism driven. Robot adopted the transmission mechanism