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第二章 夾持器
2.1夾持器設計的基本要求
（1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力；
（2）手指應具有一定的開閉范圍；
（3）應保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；
（4）要求結構緊湊，重量輕，效率高；
（5）應考慮通用性和特殊要求。
設計參數(shù)及要求
（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊—放松；
（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；
（3）工件的材質(zhì)為5kg，材質(zhì)為45#鋼；
（4）夾持器有足夠的夾持力；
（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由液壓缸提供動力。
2.2夾持器結構設計
2.2.1夾緊裝置設計.
2.2.1.1夾緊力計算
手指加在工件上的夾緊力是設計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊力可按下列公式計算：
2-1
式中：
—安全系數(shù)，由機械手的工藝及設計要求確定,通常取1.2——2.0，取1.5；
—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（m/s）；
—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，
手指與工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；
手指與工件形狀：型指端夾持圓柱型工件，
，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計算,如圖2.1
圖2.1
—被抓取工件的重量
求得夾緊力 ，，取整為177N。
2.2.1.2驅(qū)動力力計算
根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關系式：
式中：
c—滾子至銷軸之間的距離；
b—爪至銷軸之間的距離；
—楔塊的傾斜角
可得，得出為理論計算值，實際采取的液壓缸驅(qū)動力要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率，一般取0.8～0.9，此處取0.88，則：
，取
2.2.1.3液壓缸驅(qū)動力計算
設計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，液壓缸為單作用缸，提供推力：
式中 ——活塞直徑
——活塞桿直徑
——驅(qū)動壓力，
,已知液壓缸驅(qū)動力，且
由于，故選工作壓力P=1MPa
據(jù)公式計算可得液壓缸內(nèi)徑：
根據(jù)液壓設計手冊,見表2.1，圓整后取D=32mm。
表2.1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）（mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
活塞桿直徑 d=0.5D=0.5×40mm=16mm
活塞厚 B=(0.6～1.0)D 取B=0.8d=0.7×32mm=22.4mm,取23mm.
缸筒長度 L≤(20～30)D 取L為123mm
活塞行程，當抓取80mm工件時，即手爪從張開120mm減小到80mm，楔快向前移動大約40mm。取液壓缸行程S=40mm。
液壓缸流量計算：
放松時流量
夾緊時流量
2.2.1.4選用夾持器液壓缸
溫州中冶液壓氣動有限公司所生產(chǎn)的輕型拉桿液壓缸
型號為：MOB-B-32-83-FB，結構簡圖，外形尺寸及技術參數(shù)如下：
表2.2夾持器液壓缸技術參數(shù)
工作壓力
使用溫度范圍
允許最大速度
效率
傳動介質(zhì)
缸徑
受壓面積()
速度比
無桿腔
有桿腔
1MPa
～+
300 m/s
90%
常規(guī)礦物液壓油
32
mm
12.5
8.6
1.45
圖2.2 結構簡圖
圖2.3 外形尺寸
2.2.2手爪的夾持誤差及分析
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結構參數(shù)，見圖2-4，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補償能力。
圖 2.4
工件直徑為80mm，尺寸偏差，則，，。
本設計為楔塊杠桿式回轉型夾持器，屬于兩支點回轉型手指夾持，如圖2.5。
圖2.5
若把工件軸心位置C到手爪兩支點連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關系有：
簡化為：
該方程為雙曲線方程，如圖2.6：
圖2.6 工件半徑與夾持誤差關系曲線
由上圖得，當工件半徑為時，X取最小值，又從上式可以求出：
，通常取
若工件的半徑變化到時，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。
在設計中，希望按給定的和來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結構增大；另一方面可選取合適的偏轉角，使夾持誤差最小，這時的偏轉角稱為最佳偏轉角。只有當工件的平均半徑取為時，夾持誤差最小。此時最佳偏轉角的選擇對于兩支點回轉型手爪（尤其當a值較大時），偏轉角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點回轉型手爪的偏轉角，即下式：
其中,,型鉗的夾角
代入得出：
則
則，此時定位誤差為和中的最大值。
分別代入得：
，
所以，，夾持誤差滿足設計要求。
由以上各值可得：
取值為。
2.2.3楔塊等尺寸的確定
楔塊進入杠桿手指時的力分析如下：
圖 2.7
上圖2.7中
—斜楔角，＜時有增力作用；
—滾子與斜楔面間當量摩擦角，，為滾子與轉軸間的摩擦角，為轉軸直徑，為滾子外徑，，為滾子與轉軸間摩擦系數(shù);
—支點至斜面垂線與杠桿的夾角；
—杠桿驅(qū)動端桿長；
—杠桿夾緊端桿長；
—杠桿傳動機械效率
2.2.3.1斜楔的傳動效率
斜楔的傳動效率可由下式表示：
杠桿傳動機械效率取0.834，取0.1，取0.5，則可得=, ，取整得=。
2.2.3.2動作范圍分析
陰影部分杠桿手指的動作范圍，即，見圖 2.8
圖 2.8
如果，則楔面對杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以必須大于。此外，當時，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉支點在結構上干涉，即為手指動作的理論極限位置。
2.2.3.3斜楔驅(qū)動行程與手指開閉范圍
當斜楔從松開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程為L，此時對應的杠桿手指由位置轉到位置，其驅(qū)動行程可用下式表示：
杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：
通常狀態(tài)下，在左右范圍內(nèi)，則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設定為30mm.即。已知，可得，有圖關系：
圖2.9
可知：楔塊下邊為60mm，支點O距中心線30mm，且有，解得：
2.2.3.4與的確定
斜楔傳動比可由下式表示：
可知一定時，愈大，愈大，且杠桿手指的轉角在范圍內(nèi)增大時，傳動比減小，即斜楔等速前進，杠桿手指轉速逐漸減小，則由分配距離為：，。
2.2.3.5確定
由前式得：
，，取。
2.2.3.6確定
為沿斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程，有下圖中關系
圖2.10
，取，則楔塊上邊長為18.686，取19mm.
2.2.4材料及連接件選擇
V型指與夾持器連接選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個
杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個
滾子與手指連接選用圓柱銷，d=6mm, 需使用2個
以上材料均為鋼，無淬火和表面處理
楔塊與活塞桿采用螺紋連接，基本尺寸為公稱直徑12mm，螺距p=1，旋合長度為10mm。
第三章 腕部
3.1腕部設計的基本要求
手腕部件設置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕部件具有獨立的自由度，此設計中要求有繞中軸的回轉運動。
（1）力求結構緊湊、重量輕
腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。
（2）結構考慮，合理布局
腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
（3）必須考慮工作條件
對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。
3.2具有一個自由度的回轉缸驅(qū)動的典型腕部結構
如圖3.1所示，采用一個回轉液壓缸，實現(xiàn)腕部的旋轉運動。從A—A剖視圖上可以看到，回轉葉片（簡稱動片）用螺釘，銷釘和轉軸10連接在一起，定片8則和缸體9連接。壓力油分別由油孔5.7進出油腔，實現(xiàn)手部12的旋轉。旋轉角的極限值由動，靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于），圖中缸可回轉。腕部旋轉位置控制問題，可采用機械擋塊定位。當要求任意點定位時，可采用位置檢測元件（如本例為電位器，其軸安裝在件1左端面的小孔）對所需位置進行檢測并加以反饋控制。
圖3.1
圖示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅(qū)動液壓缸的油管是從回轉中心通過，腕部回轉時，油路認可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉液壓缸）由手臂內(nèi)通過并經(jīng)腕架分別進入回轉液壓缸和手部驅(qū)動液壓缸。本設計要求手腕回轉，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅(qū)動腕部結構，采用液壓驅(qū)動，參考上圖典型結構。
3.3腕部結構計算
3.3.1腕部回轉力矩的計算
腕部回轉時，需要克服的阻力有：
（1）腕部回轉支承處的摩擦力矩
式中 ，—軸承處支反力（N），可由靜力平衡方程求得;
,—軸承的直徑（m）；
—軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承=0.01-0.02；對于滑動軸承=0.1。
為簡化計算，取，如圖3.1所示，其中，為工件重量，為手部重量，為手腕轉動件重量。
圖3.1
（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩
式中 e—工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離，已知e=10mm.
則
（3）克服啟動慣性所需的力矩
啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉的角速度及啟動過程轉過的角度按下式計算：
式中 —工件對手腕回轉軸線的轉動慣量；
—手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量；
—手腕回轉過程的角速度；
—啟動過程所需的時間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s.。
手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為200mm，直徑90mm，其重力估算：
,取98N.
等效圓柱體的轉動慣量：
工件的轉動慣量，已知圓柱體工件，
要求工件在0.5s內(nèi)旋轉90度, 取平均角速度，即=，
代入得：
解可得： =0.8083
3.3.2回轉液壓缸所驅(qū)動力矩計算
回轉液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩
如圖3.3，定片1與缸體2固連，動片3與轉軸5固連，當a, b口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉，達到手腕回轉的目的。
圖3.3
圖3.4
圖3.4為回轉液壓缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩。
或
式中 ——手腕回轉時的總的阻力矩
——回轉液壓缸的工作壓力（Pa）
——缸體內(nèi)孔半徑（m）
——輸出軸半徑（m），設計時按選取
——動片寬度（m）
上述動力距與壓力的關系是設定為低壓腔背壓力等于零。
3.3.3回轉缸內(nèi)徑D計算
由 ，得：
，
為減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時，選用：
綜合考慮，取值計算如下：
r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值為1Mpa，即如下圖：
圖3.5
3.3.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
圖3.6缸蓋螺釘間距示意
表3.3 螺釘間距t與壓力P之間的關系
工作壓力P（Mpa）
螺釘?shù)拈g距t(mm)
小于150
小于120
小于100
小于80
上圖中表示的連接中，每個螺釘在危險截面上承受的拉力為：
，即工作拉力與殘余預緊力之和
計算如下：
液壓缸工作壓強為P=1Mpa,所以螺釘間距小于150mm,試選擇2個螺釘，，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=2個
受力截面
，此處連接要求有密封性，故k取（1.5-1.8），取K=1.6。
所以
螺釘材料選擇Q235，
，安全系數(shù)n取1.5（1.5-2.2）
螺釘?shù)闹睆接上率降贸?
，F(xiàn)為總拉力即
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=8mm.
3.3.5靜片和輸出軸間的連接螺釘
動片和輸出軸之間的連接結構見上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)。螺釘由于油液沖擊產(chǎn)生橫向載荷，由于預緊力的作用，將在接合面處產(chǎn)生摩擦力以抵抗工作載荷，預緊力的大小，以接合面不產(chǎn)生滑移的條件確定，故有以下等式：
為預緊力,為接合面摩擦系數(shù)，?。?.10-0.16）范圍的0.15，即鋼和鑄鐵零件，為接合面數(shù)，取=2，Z為螺釘數(shù)目，取Z=2，D為靜片的外徑，d為輸出軸直徑，則可得：
螺釘?shù)膹姸葪l件為：
帶入有關數(shù)據(jù)，得：
螺釘材料選擇Q235，則（安全系數(shù)）
螺釘?shù)闹睆? ，d值極小，取。
螺釘選擇M6的開槽盤頭螺釘， ,如圖3.7：
圖3.7
3.3.6腕部軸承選擇
腕部材料選擇HT200，，估計軸承所受徑向載荷為50N,軸向載荷較小，忽略。兩處均選用深溝球軸承?，F(xiàn)校核較小軸徑處軸承。
6005軸承基本數(shù)據(jù)如下：
，當量動載荷，載荷系數(shù)取1，，則，由公式：
N為轉速，由0.5s完成回轉，計算得：，，球軸承
代入得：
，遠大于軸承額定壽命。
選用軸承為深溝球軸承6005，6008。
3.3.7材料及連接件，密封件選擇
右端軸承端蓋與腕部回轉缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
右缸蓋與缸體連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
左缸蓋與缸體及法蘭盤連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
選用墊圈防松，，公稱尺寸為5。
右端軸承端蓋與腕部回轉缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
為定位作用，軸左側增加一個套筒，材料為HT200，尺寸如下：
圖3.8
動片與輸出軸連接選用六角頭螺栓 全螺紋， ， 需用2個。
密封件選擇：
全部選用氈圈油環(huán)密封，材料為半粗羊毛氈。
右端蓋 d=40mm, 左右缸蓋 d=25mm。
第四章 伸縮臂設計
4.1伸縮臂設計基本要求
設計機械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機械手，完成直線伸縮動作。
（1）功能性的要求
機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)調(diào)。
（2）適應性的要求
為便于調(diào)整，適應工件大小不同的要求，起止位置要方便調(diào)整，要求設置可調(diào)式定位機構。為了控制慣性力，減少運動沖擊，動力的大小要能與負載大小相適應，如步進電機通過程序設計改變運動速度，力矩電機通過調(diào)整工作電壓，改變堵力矩的大小，達到工作平穩(wěn)、動作快捷、定位準確的要求。
（3）可靠性的要求
可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預定使用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。
工業(yè)機械手可自動完成預定工作，廣泛應用在自動化生產(chǎn)線上，因此要求機械手工作必須可靠。設計時要進行可靠性分析。
（4）壽命的要求
產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時因磨損而使性能下降在允許范圍內(nèi)而且無需大修的連續(xù)工作期限。設計中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤滑措施、合理設計零件的形面等。因各零部件難以設計成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。
（5）經(jīng)濟的要求
機械產(chǎn)品設備的經(jīng)濟性包括設計制造的經(jīng)濟性和使用的經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品的制造成本構成中材料費、加工費占有很大的比重，設計時必須給予充分注意。將機械設計課程中學到的基本設計思想貫穿到設計中。
（6）人機工程學的要求
人機工程學也稱為技術美學，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護保養(yǎng)容易等。本設計中要充分考慮外形設計，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設計要方便人體接近，方便工具的使用。
（7）安全保護和自動報警的要求
按規(guī)范要求，采取適當?shù)姆雷o措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設計都必須考慮的，是必不可少的。在程序設計中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機構卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設置報警裝置。
設計參數(shù)
（1）伸縮長度：300mm；
（2）單方向伸縮時間：1.5～2.5S；
（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；
（4）前端安裝機械手，伸縮終點無剛性沖擊；
4.2方案設計
液壓驅(qū)動方案
（1）伸縮原理
采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時采用單向調(diào)速閥進行回油節(jié)流調(diào)速，接近終點時，發(fā)出信號，進行調(diào)速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導向桿導向防止轉動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。（圖4.1）
圖4.1
（2）液壓系統(tǒng)的設計計算
液壓控制系統(tǒng)設計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求，具體設計計算參考《液壓傳動與控制》等相關教材。由于伸縮臂做間歇式往復運動，有較大的沖擊，設計時要考慮緩沖措施，可從液壓回路設計上考慮，也可從液壓件結構上考慮。
設計計算參數(shù)及要求：
① 電磁閥流量：要滿足伸縮速度的要求。
② 油缸直徑：推力大小要能克服機構起動慣性并有一定的起動加速度，要滿足運動時間要求。
③ 導向桿剛度：按最長伸出時機械手端部的撓度不超過規(guī)定要求。
④ 定位方式和元件：自選。
（3）結構方案設計及強度和剛度計算
伸縮臂運動簡圖見圖4-1
① 結構方案說明
a：支座1安裝在機器人床身上，用于安裝伸縮臂油缸和導向桿等零部件。
b：法蘭4用于安裝機械手，其形式和尺寸要與機械手相協(xié)調(diào)。
c：液壓缸伸出桿帶動導向桿同時伸出300mm，伸出長度較大，設計、制造和安裝時要考慮液壓缸與導向桿的平行度要求。
d：導向桿可采用直線導軌或直線導軸。直線導軌可選用外購件，直接從生產(chǎn)廠家的有關資料中獲得所需參數(shù)（網(wǎng)上查詢直線導軌、直線導軸）。采用直線導軸時可自行設計，并且要考慮導向桿的潤滑，潤滑方式參考有關手冊設計。
② 強度及剛度計算
本機械手夾持工件重量約3Kg左右，夾持器重量約15Kg，夾持器長度最大約250mm。從受力角度分析，載荷不大，可參考其它機器作類比設計即可。伸縮臂的機構力學模型如圖4.2所示。
夾持器夾著工件，伸縮臂全部伸出，是導桿受力最大的狀態(tài),也是變形最大的位置。在此情況下，用材料力學的知識計算它的強度和剛度。
圖4.2
4.3伸縮臂機構結構設計
4.3.1伸縮臂液壓缸參數(shù)計算
4.3.1.1工作負載R
液壓缸的工作負載R是指工作機構在滿負荷情況下，以一定加速度啟動時對液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即：
式中：-工作機構的荷重及自重對液壓缸產(chǎn)生的作用力；
-工作機構在滿載啟動時的靜摩擦力；
-工作機構滿載啟動時的慣性力。
(1)的確定
① 工件的質(zhì)量m
=5.9 (kg)
②夾持器的質(zhì)量 15kg(已知)
③伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計)
④其他部件的質(zhì)量 15kg(估計)
工作機構荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N)
取Ri=860N
(2) 的確定 Rm= (N)
(3) 的確定 Rg=(N)
式中：為啟動時間，其加速時間約為0.1～0.5s
=0.1s , =0.2s
總負載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N)
取實際負載為 =1200
4.3.1.2液壓缸缸筒內(nèi)徑D的確定
D=
式中：R=1000 <5000 , p可取0.8～, =
取液壓缸缸筒內(nèi)徑為40mm。
4.3.1.3活塞桿設計參數(shù)及校核
(1)活塞桿材料：選擇45號調(diào)質(zhì)鋼，其抗拉強度=570
(2)活塞桿的直徑：查《液壓傳動設計手冊》得，當壓力小于10Mpa時，速比=1.33。
則可選取活塞桿直徑為20mm系列，且缸筒的厚度為5mm。
最小導向長度：mm
(3)活塞桿強度及壓桿穩(wěn)定性的計算
采用非等截面計算法
① 油缸穩(wěn)定性的計算
因為油缸的工作行程較大，則在油缸活塞桿全部伸出時，計算油缸受最大作用力壓縮時油缸的穩(wěn)定性。
假設油缸的活塞桿的推理為P，油缸穩(wěn)定的極限應力為Pk，則油缸穩(wěn)定性的條件為P
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