平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之平衡臂及機(jī)械手爪,平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之平衡臂及機(jī)械手爪,平衡,機(jī)械手,設(shè)計(jì),機(jī)械,手爪 目 錄 摘要、關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………………………1 第1章 緒 論 …...4 1.1國(guó)內(nèi)外機(jī)械手綜述 4 1.1.1簡(jiǎn)史 4 1.1.2應(yīng)用簡(jiǎn)況 5 1.1.3國(guó)內(nèi)外機(jī)械人發(fā)展趨勢(shì) 5 1.2機(jī)械手的組成和分類 6 1.2.1機(jī)械手的組成 6 1.2.2機(jī)械手的分類 7 1.3本課題研究的主要內(nèi)容及意義 8 1.3.1 課題 七桿二自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)內(nèi)容及基本要求 8 1.3.2重點(diǎn)研究的問(wèn)題： 9 1.3.3 本次設(shè)計(jì)的意義 9 第2章 機(jī)械手基本參數(shù)的確定 10 2.1抓重 10 2.2 轉(zhuǎn)角 10 2.3工作速度 10 2.4定位精度 11 第3章 機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 12 3.1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 12 3.1.1機(jī)械手的自由度 12 3.1.2坐標(biāo)形式 13 3.1.3機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖以及部件尺寸 13 3.1.4機(jī)械手總體方案的比較 14 3.2 機(jī)構(gòu)桿件的受力校核分析 15 3.2.1支撐桿的受力校核 15 3.2.2導(dǎo)軌滑桿的強(qiáng)度檢驗(yàn) 15 3.2.3立柱支撐軸的強(qiáng)度校核 16 3．3機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 17 3.3.1概述 17 3.3.2手指的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 18 3.3.3手部伸縮的驅(qū)動(dòng)裝置 20 3.3.4 手指定位誤差的分析 20 3.4機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 20 3.4.1手腕自由度和結(jié)構(gòu) 20 3.4.2手腕的結(jié)構(gòu) 21 3.4.3 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 21 3.4.4回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 23 3.5手臂結(jié)構(gòu)分析 24 3.5.1大手臂的結(jié)構(gòu)及其工作原理 24 3.5.2大手臂做升降運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力 26 3.5.3驅(qū)動(dòng)油缸的計(jì)算 27 3.5.4缸蓋的強(qiáng)度計(jì)算 28 3.5.5活塞桿的穩(wěn)定行驗(yàn)算 29 3.5.6大手臂系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算 29 3.5.7 設(shè)計(jì)手臂時(shí)注意的問(wèn)題 30 總結(jié)……………………………………………………………………………31 參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………32 附錄一 英文文獻(xiàn)翻譯 33 附錄二 英文翻譯原文..……………………………………………………40 31 平衡臂機(jī)械手的設(shè)計(jì)之平衡臂及機(jī)械手爪 摘 要 ：論文模仿機(jī)械手的基本功能和設(shè)計(jì)思路，根據(jù)給定的規(guī)定動(dòng)作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識(shí)，完成了機(jī)械手的設(shè)計(jì)，并繪制必要的零部件圖和裝配圖，其中包括機(jī)器裝置的原理方案構(gòu)思和擬定；原理方案的實(shí)現(xiàn)、傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì)；主要結(jié)構(gòu)的設(shè) 計(jì)簡(jiǎn)圖；設(shè)計(jì)計(jì)算與說(shuō)明；控制油路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題為：夾持機(jī)構(gòu)的夾緊與翻轉(zhuǎn)；行程機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向與伸縮；提升機(jī)構(gòu)的提升；控制油路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)械手；手爪；伸縮油缸；轉(zhuǎn)動(dòng)油缸 Manipulator arm of a balanced design and mechanical gripper arm balance Summary：The thesis deploys the basic function and the way of design of the automatic hand , according to the given provision of action in proper order, comprehensively using the basic theories, basic knowledge and the related professional knowledge of mechanical design, completing the design of mechanical hand, and drying the diagrams of the necessary spare parts and the assemble diagram, including the consideration and the establishment of the principle;The realization of the principle, powertrains of the project; sketch plan of the structure;calculation of design and the elucidation; design of the the liquid press system. The mainly key problem of design a mechanical hand is :Clipping the object and revolving;The route of travel organization;the promotion of the organization;the design of the liquid press system. Keyword:Industrial mechanical hand Hand claw Flexible oil urn recolcing oil urn 第1章 緒 論 工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學(xué)科——機(jī)械手工程。 機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們認(rèn)識(shí)：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大得改善人工的勞動(dòng)條件，顯著得提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫，高壓，粉塵，噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 機(jī)械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的物理性能外，還具備通用機(jī)械，記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特頂?shù)淖鳂I(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電尋好操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行月球的探測(cè)等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)械手，主要負(fù)數(shù)于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為Mechanical Hand，它是為主機(jī)服務(wù)的，有主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 1.1國(guó)內(nèi)外機(jī)械手綜述 1.1.1簡(jiǎn)史 機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。她的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。同年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatrap機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。 1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工大學(xué)聯(lián)合研制一種叫Unnimation-Viearm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。 到目前為止，日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快，應(yīng)用最多的國(guó)家。 但是，目前的機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是減低成本和提高精度。 第二代機(jī)械手設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)，觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。 第三代機(jī)械手（機(jī)器人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一環(huán)。 1.1.2應(yīng)用簡(jiǎn)況 就國(guó)內(nèi)機(jī)械工業(yè)，鐵路 部門應(yīng)用機(jī)械手的簡(jiǎn)況，介紹如下： （一） 熱加工方面的應(yīng)用 熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來(lái)就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)高效率和工作安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更加需要采用機(jī)械手操作 （二） 冷加工方面 冷加工方面機(jī)械手主要采用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)結(jié)和重要手段。 （三） 拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。 采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點(diǎn)，國(guó)外已研究采用攝象機(jī)和里的傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)聯(lián)系在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。 1.1.3國(guó)內(nèi)外機(jī)械人發(fā)展趨勢(shì) 在普及第一代工業(yè)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)推廣，成為 主流安裝機(jī)型，第三代智能機(jī)器人也占有一定比重(占日本1998年安裝臺(tái)數(shù)的10%，銷售額的36% )。 機(jī)械結(jié)構(gòu)? 以關(guān)節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機(jī)器人約占總量的1/3。應(yīng)3K和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)的需求，超大型機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。CAD , CAM等技術(shù)己普遍用于設(shè)計(jì)、仿真和制造中。 控制技術(shù)? 大多采用32位CPU，控制軸數(shù)多達(dá)27軸，NC技術(shù)、離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實(shí)現(xiàn)了多手與變位機(jī)、多機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制。采用基于PC的開(kāi)放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)已成為一股潮流。 驅(qū)動(dòng)技術(shù)? 80年代發(fā)展起來(lái)的AC伺服驅(qū)動(dòng)已成為主流驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人中。新一代的伺服電機(jī)與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合已由FANUC等公司開(kāi)發(fā)并用于工業(yè)機(jī)器人中;在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動(dòng)新技術(shù)。 應(yīng)用智能化的傳感器? 裝有視覺(jué)傳感器的機(jī)器人數(shù)量呈上升趨勢(shì)，不少機(jī)器人裝有兩種以上傳感器，有些機(jī)器人留了多種機(jī)器人接口。 通用機(jī)器人編程語(yǔ)言? 在ABB公司的20多個(gè)型號(hào)產(chǎn)品中，采用了通用模塊化語(yǔ)言RAPID。最近美國(guó)機(jī)器人空間技術(shù)公司開(kāi)發(fā)了Robot Script V.10通用語(yǔ)言，運(yùn)行于該公司的通用機(jī)器人控制器URC的Win NT/95環(huán)境下。該語(yǔ)言易學(xué)易用，可用于各種開(kāi)發(fā)環(huán)境，與大多數(shù)WINDOWS軟件產(chǎn)品兼容。 網(wǎng)絡(luò)通訊方式? 大部分機(jī)器人采用了Ether網(wǎng)絡(luò)通訊方式，占總量的41.3%，其他采用RS-232, RA-422, RS-485等通訊接口。 高速、高精度、多功能化? 目前，最快的裝配機(jī)器人最大合成速度為16. 5m/s，有一種大直角坐標(biāo)搬運(yùn)機(jī)器人，其最大合成速度竟達(dá)80m/ s;而另一種并聯(lián)結(jié)構(gòu)的NC機(jī)器人，其位置重復(fù)精度達(dá)limo 90年代末的機(jī)器人一般都具有兩、三種功能，向多功能化方向發(fā)展。 集成化與系統(tǒng)化? 當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)的另一特點(diǎn)是機(jī)器人的應(yīng)用從單機(jī)、單元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺(tái)以上的機(jī)器人群與微機(jī)及周邊設(shè)備和操作人員形成一個(gè)大群體?？鐕?guó)大集團(tuán)的壟斷和全球化的生產(chǎn)將世界眾多廠家的產(chǎn)品聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化、網(wǎng)絡(luò)化的“虛擬制造”，為工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷向智能化方向發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和深化以及機(jī)器人在FMS, CIMS系統(tǒng)中的群體應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，滿足多樣化、個(gè)性化的需求，并適應(yīng)多變的非結(jié)構(gòu)環(huán)境作業(yè)，向非制造領(lǐng)域進(jìn)軍。 我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人:其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距:在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球己安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一位客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而目‘質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“86“計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人技術(shù)居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄鍛，熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)地發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教型機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、俯仰等機(jī)構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，又便于改換工作，擴(kuò)大了應(yīng)用的范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機(jī)械手的作用。更為主要的是將機(jī)械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1.2機(jī)械手的組成和分類 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。 一、 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) （1） 手部 手部安裝在手臂的前端，手臂的內(nèi)孔裝有傳動(dòng)軸，可把動(dòng)作傳給手腕， 以轉(zhuǎn)動(dòng)、伸屈手腕、開(kāi)閉手指。 機(jī)械手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。 （2） 手臂 手臂有無(wú)關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無(wú)關(guān)節(jié)臂。 手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確得抓住工件，并運(yùn)送到所需要的位置上。為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的三個(gè)自由讀都需要精確的定位。 （3） 軀干 軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。 二、 驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣體驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓、氣動(dòng)用的最多，占90%以上；電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)用的較少。 液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過(guò)油缸、閥、油泵和油箱實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，可無(wú)級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。尤其空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點(diǎn)位控制，而且潤(rùn)滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)的裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖減震機(jī)構(gòu)。 電器驅(qū)動(dòng)都采用三相感應(yīng)電機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動(dòng)則用電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動(dòng)機(jī)。電氣驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)力源簡(jiǎn)單；維護(hù)、使用方便。一般只用于動(dòng)作固定的場(chǎng)合。一般用凸輪連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作。它的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作確實(shí)可開(kāi)，工作速度高，成本低；缺點(diǎn)是不易于調(diào)整。 三、 控 制 系 統(tǒng) 機(jī)械手控制的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間、運(yùn)動(dòng)速度和加減速度等。 機(jī)械手的控制分為點(diǎn)位控制和連續(xù)詭計(jì)控制兩種?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。 程序的存儲(chǔ)方式分為分離存儲(chǔ)和集中存儲(chǔ)兩種。對(duì)于動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手（機(jī)械人），采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機(jī)械手（機(jī)械人）則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計(jì)算器或微處理機(jī)控制的系統(tǒng)。 1.2.2機(jī)械手的分類 一、按 用 途 分 類 1. 專用機(jī)械手 專用機(jī)械手是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡(jiǎn)單、使用，目前在生產(chǎn)中運(yùn)用的比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)。如用來(lái)抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應(yīng)多種作業(yè)的需要。 2. 通用機(jī)械手 通用機(jī)械手是在專用機(jī)械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。它能對(duì)不同物件完成多種動(dòng)作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯?。它是一種能獨(dú)立工作的自動(dòng)話裝置。它的動(dòng)作程序可以按照工作需要來(lái)改變，大概是采用順序控制系統(tǒng)。 通用機(jī)械手又分簡(jiǎn)易型、示教再現(xiàn)型和只能機(jī)械手、草中式機(jī)械手等幾種。 三、 按控制型式分類 1.點(diǎn)位控制型機(jī)械手 點(diǎn)位控制型機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)詭計(jì)是空間二個(gè)點(diǎn)之間的連接?？刂泣c(diǎn)書越多，性能越好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。絕大部分機(jī)械手是點(diǎn)位控制型。 2.連續(xù)軌跡控制型機(jī)械手 這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動(dòng)作。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜。 控制方式分為開(kāi)關(guān)式和伺服式兩種。 1.3本課題研究的主要內(nèi)容及意義 1.3.1 課題 七桿二自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)內(nèi)容及基本要求 設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械手，用于工廠機(jī)床邊抓取圓棒料和餅類零件，實(shí)現(xiàn)從地面到機(jī)床卡盤和從機(jī)床卡盤到地面的運(yùn)動(dòng)。 抓取重量；≤40千克。在總體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，該抓取物重量可以減小。 機(jī)械臂活動(dòng)范圍：活動(dòng)半徑≤2 m 夾持物最大直徑≤100mm（軸類）、最大直徑<300(餅類) 活動(dòng)高度 ≤2.0m 動(dòng)力：盡可能采用機(jī)械傳動(dòng)、電磁力或氣動(dòng)。必要時(shí)可以采用液壓，但不宜使用高壓液壓設(shè)備。 工作量要求：〈1〉平衡臂部件圖紙，油缸裝配圖，活塞零件圖，零部件一覽表，標(biāo)準(zhǔn)間匯總表。 〈2〉設(shè)計(jì)說(shuō)明書 〈3〉英文翻譯成漢文（5000字） 第二章 機(jī)械手基本參數(shù)的確定 一個(gè)機(jī)械手系統(tǒng)所包含的基本參數(shù)有抓重（即臂力）、自由度、工作行程（包括轉(zhuǎn)角），行程速度，工作節(jié)拍和定位精度等。 2.1抓重 抓重就是指機(jī)械手所能搬運(yùn)物件的重量?？紤]到這個(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，且抓重要求是40公斤，所以安全系數(shù)K選擇在2~3范圍內(nèi)。 2.2 轉(zhuǎn)角 結(jié)合工廠實(shí)地參觀的工件擺放和機(jī)床設(shè)備的擺放位置，做出如下簡(jiǎn)圖： （虛線所示為手臂抓取工件的位置） 所以我們?cè)O(shè)計(jì)機(jī)械手的回轉(zhuǎn)角度為90度。 2.3工作速度 機(jī)械手的動(dòng)作節(jié)拍是指機(jī)械手完成一個(gè)動(dòng)作循環(huán)所需要的時(shí)間。它的運(yùn)動(dòng)節(jié)拍只占到生產(chǎn)節(jié)拍的一部分。我們假設(shè)機(jī)械手夾持的軸形工件是需要在車床上完成車的工序，當(dāng)工件在機(jī)床加工時(shí)是不動(dòng)作的，當(dāng)這一工序加工結(jié)束時(shí)機(jī)械手才再開(kāi)始動(dòng)作，所以這時(shí)機(jī)械手的動(dòng)作節(jié)拍需要加上工件加工的那段時(shí)間。 機(jī)械手在上料的過(guò)程中，需要完成夾緊工件，手臂上升、手腕回轉(zhuǎn)、手臂 伸出、下降、放松工件、手臂縮回、反轉(zhuǎn)、手腕反轉(zhuǎn)等動(dòng)作。 考慮到以下一些問(wèn)題，機(jī)械手的動(dòng)作節(jié)拍還需要加上以下這些時(shí)間： 1.由于繼電器、電磁滑閥以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)都有一定的慣性，從動(dòng)作指令發(fā)出到考試動(dòng)作需要一段時(shí)間，因此單個(gè)動(dòng)作時(shí)間不宜少于0.2秒（直流電磁閥打開(kāi)響應(yīng)時(shí)間為0.1~0.5秒，交流電磁閥的打開(kāi)響應(yīng)時(shí)間為0.01~0.07秒） 2.夾緊或放松動(dòng)作時(shí)間一般定為0.2~0.3秒。 3.手臂伸縮、水平回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，是機(jī)械手動(dòng)作節(jié)拍的主要部分，應(yīng)考慮抓重和形成的大小、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方式和定位方式而加以確定。 2.4定位精度 機(jī)械手的定位精度是由加工工藝要、機(jī)械手本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)（如制造精度、結(jié)構(gòu)剛性）、抓重、工作行程、工作速度以及驅(qū)動(dòng)、控制方式和緩沖定位方式諸因素所決定。其中加工工藝要求是主要的因素。切削機(jī)床上下料機(jī)械手的定位精度一般為毫米 第三章 機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 3.1.1機(jī)械手的自由度 機(jī)械手要像人的手一樣完成各種動(dòng)作是比較困難的。因?yàn)槿说氖种浮⑹珠L(zhǎng)、手腕、手臂由十九個(gè)關(guān)節(jié)所組成，并具有27個(gè)自由度，而生產(chǎn)實(shí)踐中機(jī)械手不需要這么多自由度。下面按機(jī)械手所具有的主運(yùn)動(dòng)和輔助運(yùn)動(dòng)來(lái)分析其自由度。手臂和立柱的運(yùn)動(dòng)成為主運(yùn)動(dòng)，因?yàn)樗鼈兡芨淖冏ト」ぜ诳臻g的位置。手腕和手指的運(yùn)動(dòng)成為輔助運(yùn)動(dòng)，因?yàn)槭滞蟮倪\(yùn)動(dòng)只能改變被抓取工件的方位，而手指的夾放運(yùn)動(dòng)不能改變工件的位置和方位，故它不計(jì)為自由度數(shù)，其他運(yùn)動(dòng)都算作自由度數(shù)。 這次參考了江麓機(jī)械廠的機(jī)械手，在確定了被抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運(yùn)到規(guī)定的位置時(shí)所需要的運(yùn)動(dòng)。得知我們改造的機(jī)械手包括了大臂的回轉(zhuǎn)和升降兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，而將要設(shè)計(jì)的手腕的自由度僅僅是為了配合手臂完成工件的預(yù)定裝卸方位要求加以增設(shè)的，故只算成兩個(gè)自由度。 圖一 由圖可知，此機(jī)械手在XY平面內(nèi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且在Z方向和X方向有直線運(yùn)動(dòng)，故做出它的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，如下： 圖二 自由度數(shù)多少是衡量機(jī)械手技術(shù)水平的指標(biāo)之一，自由數(shù)越多，可以完成的動(dòng)作越復(fù)雜，通用性越強(qiáng)，應(yīng)用范圍也越廣，但是響應(yīng)的帶來(lái)了技術(shù)難度大，控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械手本身的體積和重量增加，成本高和維修困難。自由度少，通用性越差，但是技術(shù)上容易達(dá)到，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用和維修方便。所以在此次設(shè)計(jì)中，二自由度已經(jīng)足夠，沒(méi)有必要盲目的加入自由度。 3.1.2坐標(biāo)形式 如一圖所示的機(jī)械手，其手臂的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種坐標(biāo)型式的機(jī)械手成為圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。它與指教坐標(biāo)式相比較，占地面積大而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此得到廣泛的應(yīng)用。 3.1.3機(jī)械手的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖以及部件尺寸 圖三 由受力分析和平衡方程可得：ΣFx=0 Fbx=0 Σfy=0 Fna+Fby-P=0 ΣMx=0 P·DB-Fna·AB=0 由幾何關(guān)系得：Fna=6P Fbx=0 Fby=-5P 由A得：ΣFx=0 Fae·cos a -Fak·cos ? =0 Σfy=0 Fna-Fae·sin a –Fak·sin ? =0 Fae=P·h。·cos ? \h·sin(a + ?) Fak= P·h。·cos a \ h·sin(a + ?) 由C得：ΣFx=0 Fcx-Fea·cos a =0 Σfy=0 Fcy+Fea·sin a – P =0 Fcx=P·h?！os a·cos ? \ h·sin(a + ?) Fcy=P·[1- h?！in a ·cos ?\ h·sin(a + ?)] 在江麓機(jī)械廠的實(shí)地測(cè)繪，要進(jìn)行改造的機(jī)械手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如上圖所示 。為一個(gè)七桿二自由度機(jī)械手。其各部件的尺寸如下： 桿件一 250mm 桿件二 1250mm 桿件三 250mm 桿件四 1250mm 桿件五 1500mm 此機(jī)械手的尺寸恰能滿足回轉(zhuǎn)半徑1m~3m和提升工件高度≤2.5m的要求，所以在這次設(shè)計(jì)過(guò)程中不做改動(dòng)。 由圖一計(jì)算其他尺寸： 圖中虛線所示位置就是當(dāng)機(jī)械手將工件舉到最高時(shí)候的位置，實(shí)線所示的位置就是機(jī)械手在地面高度抓取工件的位置。設(shè)計(jì)手臂在這兩個(gè)位置時(shí)，桿件與水平所成的角度都為30。則Ae長(zhǎng)度等于250=125mm，bf長(zhǎng)度也為125mm，bC長(zhǎng)度等于BC=250=125mm，cc產(chǎn)度等于bc-bC=250-125=125mm，Bb長(zhǎng)度等于BC=250=213mm，所以確定Aa等于Ae+bf+Bb=125+125+213=463mm。即為大臂升降油缸的行程取l=500mm. 3.1.4機(jī)械手總體方案的比較 除了上圖所看到的方案，還有一種設(shè)計(jì)的方案，即將伸縮油缸和回轉(zhuǎn)油缸放置在同一個(gè)立柱中，但是如果這樣放置，一個(gè)是裝配時(shí)十分不方便，二個(gè)是在機(jī)械手夾持工件進(jìn)行回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)中心將更加遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)油缸的中心，那樣對(duì)支撐軸的扭矩將增大，且對(duì)立柱的彎曲應(yīng)力更大，機(jī)械手的壽命將縮短。所以，我們?cè)O(shè)計(jì)的是將伸縮油缸和液壓站用支撐板固定在遠(yuǎn)離工件的立柱的另側(cè)，這樣，當(dāng)機(jī)械手回轉(zhuǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)中心將比較靠近回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)中心，這樣，即減少了支撐軸的彎曲應(yīng)力，又可以使的機(jī)械手在裝配和設(shè)置油管路線時(shí)更加方便。 橫向擴(kuò)展一下，本人聯(lián)想到資料中海港的集裝箱的起吊手臂，它在空間運(yùn)行的時(shí)候，保證了集裝箱的水平放置，那樣手臂的設(shè)計(jì)將更加復(fù)雜。本人設(shè)計(jì)的機(jī)械手，在空間的運(yùn)動(dòng)位置是不定的，如果要改進(jìn)，則需要在橫向伸縮的導(dǎo)桿中加入一個(gè)伸縮油缸，用來(lái)精確控制工件被夾取后在空間中的運(yùn)動(dòng)位置。 3.2 機(jī)構(gòu)桿件的受力校核分析 3.2.1支撐桿的受力校核 當(dāng)機(jī)械手將工件抬舉到最大高度的時(shí)候，支撐桿的受彎曲力矩最大。此時(shí)的受力分析如圖： 機(jī)械手的構(gòu)件部分都設(shè)計(jì)成為空心圓鋼桿，其外徑為115mm，內(nèi)徑為75mm,查表得到它的[]=60MPa,E=200GPa.此時(shí)受到的壓力P為工件和前端桿件的重量，約為50KN。 （1）此時(shí)1桿和2桿的軸力NN分別為 N=2P=100KN N=P=86.6KN（壓） （2）強(qiáng)度校核 A==5.86m 所以1桿2桿的應(yīng)力分別為： =17.06MPa<[] 由此可見(jiàn)手臂的桿件都滿足強(qiáng)度要求，整個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都是滿足要求的。 3.2.2導(dǎo)軌滑桿的強(qiáng)度檢驗(yàn) 導(dǎo)軌滑桿是放置在大臂頂部的構(gòu)件，它承受了各機(jī)構(gòu)桿件和工件對(duì)其的壓力，其受力狀況如下： 其中AB長(zhǎng)度等于CD長(zhǎng)度等于40mm。BC長(zhǎng)度等于120mm。P=7?kN，它的[]為100MPa. （1） 計(jì)算支反力并做梁的彎矩圖 根據(jù)梁的平衡條件，求得梁的支撐反力為： R==7 kN 作出梁的彎矩圖如圖所示： 由圖可見(jiàn)，梁上最大的彎矩為： M=M=0.28 kNm （2） 強(qiáng)度校核 梁的B截面和C截面為危險(xiǎn)截面。因此對(duì)B截面進(jìn)行校核： 57.07MPa<[] 所以，此滑桿是穩(wěn)定安全的，且有較大的強(qiáng)度儲(chǔ)備。 3.3機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.3.1概述 手部是機(jī)械手直接用于抓區(qū)和握緊工件進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。我們?cè)O(shè)計(jì)采用的是回轉(zhuǎn)型滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)，如圖所示，當(dāng)活塞桿1帶動(dòng)銷軸2左移時(shí)，銷軸拉動(dòng)手指3使之松開(kāi)而放開(kāi)工件。反之，手指閉合而夾緊工件。 圖四 采取這個(gè)方案來(lái)設(shè)計(jì)手部結(jié)構(gòu)是考慮到它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛，開(kāi)閉角較大，而且在移動(dòng)型手指夾持直徑變化的工件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)夾取不同直徑的軸類工件。 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和震動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折端或者是彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)哦簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。采用的這個(gè)設(shè)計(jì)方案正是具備了以上的特點(diǎn)。 3.3.2手指的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 此滑槽桿式手部結(jié)構(gòu)的力的分析如上圖所示。在拉桿的作用下銷軸向上的拉力為P，并通過(guò)銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為、，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向O點(diǎn)，和的延長(zhǎng)線交于A及B，由于ΔOB和ΔOA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)軸的力平衡條件，得 P=2P = 假想握力作用在過(guò)手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即=0 得 `h=Nb 因 h= 所以P= 式中a為手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離（毫米） α為工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角，一般情況下取α為 設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)a和b分別為80mm和95mm。 而N=0.5G（為手指的張角的一半為。） =（為摩擦系數(shù)，因?yàn)槭肿Σ捎貌牧蠟橛操|(zhì)聚氯乙烯，查表得它對(duì)鋼的摩擦系數(shù)為0.1） =，所以N=0.5×9.8×tan(60-5.7)×100kg=681.65N 求得P=1214.19N 考慮到工件在傳送過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力，振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力應(yīng)按下式計(jì)算。即 為手部的機(jī)械效率，一般?。?.85-0.95） 為安全系數(shù)，一般?。?.2-2） 為工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估算。=1+其中為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大的速度，g為重力加速度。設(shè)抓取最大=g。 所以1214.19×=4046.7N 3.3.3手部伸縮的驅(qū)動(dòng)裝置 采用雙向作用式液壓驅(qū)動(dòng)裝置，手指支架與缸體固聯(lián)為一體，當(dāng)壓力流體進(jìn)入下腔時(shí)，活塞桿向上移動(dòng)使手指夾緊，當(dāng)壓力流體進(jìn)入上腔時(shí)，則活塞桿向下移動(dòng)使手指松開(kāi)。 ① 此液壓缸工作壓力的確定 選用額定壓力為20MPa的液壓缸。液壓缸所能克服的最大負(fù)載F和有效作用面積可用下列關(guān)系式表示： F=p·A 式中F——液壓缸最大負(fù)載，包括工作負(fù)載、摩擦力、慣性力等（N）； P——液壓缸工作壓力（MPa）； A——液壓缸（活塞）有效工作面積（）。 由上式可見(jiàn)，液壓缸最大負(fù)載給定時(shí)，液壓缸工作壓力p取得最高，則活塞有效工作面積A就小，液壓缸結(jié)構(gòu)緊湊。系統(tǒng)壓力高，對(duì)液壓元件的性能及密封要求也相應(yīng)提高。 4046.7N=20×Pa×A 得A=0.00025292=202 選用直徑為14mm的活塞桿，則液壓缸的內(nèi)徑D= 將各數(shù)值代入公式，算得D=19.2986mm。故選用內(nèi)徑為20mm的液壓缸。 3.3.4 手指定位誤差的分析 為了使我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手能應(yīng)用于多品種小批量、工件直徑在一定范圍內(nèi)變化的生產(chǎn)中，所以采用了這種自動(dòng)定心的手部結(jié)構(gòu)，來(lái)減少機(jī)械手的調(diào)整工作。在工件的移動(dòng)過(guò)程中，工件的直徑變化不影響其軸心的位置，即定位誤差為零。但是，采用了這種手指的設(shè)計(jì)，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大，并且要求加工精度高。 3.4機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.4.1手腕自由度和結(jié)構(gòu) 一、手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕最多具有四個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)即四個(gè)自由度。 手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。在這次的機(jī)械手設(shè)計(jì)中，此手腕設(shè)有一個(gè)繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，已經(jīng)達(dá)到了上下料的動(dòng)作要求。實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用的是回轉(zhuǎn)油缸，它的機(jī)構(gòu)緊湊，但是回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。 3.4.2手腕的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)手腕時(shí)除應(yīng)該滿足啟動(dòng)和傳送過(guò)程中所需的輸出力矩外，還要求手腕的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、輕巧。另外通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過(guò)，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)是管路不扭轉(zhuǎn)不外露，使外形整齊。設(shè)計(jì)出的手腕結(jié)構(gòu)如下圖： 1. 定片 2.動(dòng)片 3.后蓋 4.夾緊缸體 5.活塞桿 6.回轉(zhuǎn)缸體 7.前蓋 8.指座 圖五 我們?cè)O(shè)計(jì)的手腕如圖所示，采用回轉(zhuǎn)油缸的手腕結(jié)構(gòu)。定片1與后蓋3、回轉(zhuǎn)缸體6和前蓋7均用螺釘和銷子進(jìn)行留戀界和定位，動(dòng)片2與手部的夾緊油缸缸體4用鍵聯(lián)接。缸體4與指座8固聯(lián)成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體4和指座8一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即是手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。此手腕具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和緊湊等優(yōu)點(diǎn)。 3.4.3 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)例句必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端面等處密封裝置的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸體、定片、端蓋等處密封裝置阻力以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力距可按下式計(jì)算： M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封（公斤厘米） 式中 M驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩。 M慣——慣性力矩。 M偏——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片，手部，工件）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩。 M摩——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)與支承軸處的摩擦阻力矩。 M封——手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩。 1. 假設(shè)手腕起動(dòng)時(shí)按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角加速度ω，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為，則 M慣=（J+） = 100/2 （公斤厘米） J——參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的零件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 ——工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 （公斤厘米） 2. 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 M偏= ——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的重量。 ——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到軸線的偏心距。 3． 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦阻力距M摩 M摩= ——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑。 =0.01 為支持反力： M摩 =（公斤厘米） 4. 回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等密封裝置的摩擦阻力距M封，與類型有關(guān)，具體分析。 3.4.4回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單片回轉(zhuǎn)油缸，它的工作原理如下圖所示：定片與缸體固聯(lián)，動(dòng)片與回轉(zhuǎn)軸固連。動(dòng)片及密封圈把油腔分為兩個(gè)，當(dāng)壓力油從左邊孔進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)，則低壓腔的油從右孔排出。反之，輸出軸作逆時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。單葉片回轉(zhuǎn)油缸的壓力P和驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為： M= P== （公斤厘米） M——回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩（公斤厘米）； P——回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力（公斤/） R——工作壓力（厘米）； R——輸出軸半徑（厘米）； b——?jiǎng)悠瑢挾龋ɡ迕祝? 3.5手臂結(jié)構(gòu)分析 手臂是機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的重要部件，它的作用是將被抓取的工件傳誦到給定位置和方位上，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手的手臂具有三個(gè)自由度，即小手臂的伸縮、大手臂的左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的，橫向移動(dòng)是由附屬在立柱上的小手臂實(shí)現(xiàn)的。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常是由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（油缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、各傳動(dòng)手臂和立柱自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要求來(lái)設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)形式。 3.5.1大手臂的結(jié)構(gòu)及其工作原理 大手臂的是一個(gè)機(jī)械手中最重要的部分，它需要完成將工件提起和移動(dòng)的動(dòng)作，因此設(shè)計(jì)大手臂既能夠完成升降的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又要具備回轉(zhuǎn)的功能。為了完成這樣的要求，此手臂必須具備一個(gè)升降油缸和一個(gè)回轉(zhuǎn)油缸。如果將兩個(gè)油缸分開(kāi)置放在不同的腔體中，比如，將升降油缸放置在回轉(zhuǎn)油缸和工件的中間，這樣的話，升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸能分別分擔(dān)一些工件以及其他桿件對(duì)立柱的偏重力矩，而且維修方面比較方便，對(duì)于以后的對(duì)機(jī)械手的改造也提供了便利，但是這樣顯得整個(gè)系統(tǒng)比較復(fù)雜和臃腫，占地空間比較大。我們?cè)O(shè)計(jì)的是將兩個(gè)油缸置放在一個(gè)腔體中（即立柱），這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的外形整齊美觀。雖然這樣立柱將要承受更多的偏重力矩，對(duì)立柱腔體的外壁的承重有更高的要求，但綜合考慮，還是采用這種結(jié)構(gòu)。對(duì)立柱的外壁的校核將在后面部分進(jìn)行。大手臂（即立柱）的結(jié)構(gòu)如下圖： 1. 升降油缸 2.手臂升降軸 3.回轉(zhuǎn)油缸 4回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片 5.立柱腔殼. 當(dāng)壓力油進(jìn)入升降油缸1的左腔時(shí)，推動(dòng)手臂的升降軸向上移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手抓取工件向上移動(dòng)的動(dòng)作，當(dāng)壓力油進(jìn)入升降油缸1的右腔時(shí)，使的左腔的壓力油返回到油箱，升降手臂向下移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手返回到抓取工件位置的動(dòng)作。為了防止回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)升降軸產(chǎn)生輕微的轉(zhuǎn)動(dòng)，故采用了和小手臂一樣的導(dǎo)向裝置，即在升降軸上固連一個(gè)滑輪，將其鑲嵌在立柱腔殼上制造的一個(gè)導(dǎo)軌槽內(nèi)。 回轉(zhuǎn)油缸的圖如下所示： 1.立柱腔殼 2. 回轉(zhuǎn)缸定片 3. 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)腔體 4. 回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片 這個(gè)回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片是和回轉(zhuǎn)缸的腔體以及立柱的腔殼聯(lián)接在一起的，而定片是和回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)腔體連接在一起，所以，當(dāng)壓力油經(jīng)過(guò)圖中左端的油管進(jìn)入回轉(zhuǎn)缸的左腔時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)著立柱腔殼進(jìn)行逆時(shí)針的回轉(zhuǎn)，反之，立柱進(jìn)行逆時(shí)針的回轉(zhuǎn)。由圖可知，這個(gè)回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)角度α=360-2=296.已經(jīng)能夠滿足機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度的要求。 3.5.2大手臂做升降運(yùn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力 手臂上升是靠油壓作用在活塞上的推力實(shí)現(xiàn)的，在它上升的過(guò)程中，要克服啟動(dòng)的慣性力，以及行程過(guò)程中的摩擦阻力，包括了升降軸與各部件的摩擦，以及導(dǎo)向滑輪與導(dǎo)軌槽之間的摩擦力，還要克服密封裝置處的摩擦阻力和油缸非工作腔壓力（即背壓）所造成的阻力。這些與小手臂的驅(qū)動(dòng)力的考慮是一樣的，但是升降軸除此之外，還要考慮到各個(gè)部件的重量，需要克服手臂本身以及手部、手腕和被抓物件的重量 P驅(qū)=P慣+P摩+P封+P背±G 在大手臂起動(dòng)時(shí)的過(guò)程中，慣性力即為它的沿活塞方向的工作負(fù)載，即： P慣= 式中g(shù)——重力加速度； ——加速或減速時(shí)間，一般=0.01~0.5s； ——時(shí)間內(nèi)的速度變化量。 在大臂的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，G=（100+150+50+80+180+800）g=13600N; 故P慣=8464N P摩=f(G+Frn); G——運(yùn)動(dòng)部件重力 Frn——垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，在此時(shí)為零； f——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，此時(shí)取靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。則求得 Ffs=0.2=2720N Ffa=0.1=1360N 上式中Ffs為靜摩擦阻力，F(xiàn)fa為動(dòng)摩擦阻力。 液壓缸密封處的摩擦力，它的精確值不易求得，常用液壓缸的機(jī)械效率進(jìn)行估算： F+= 式中：F——工作循環(huán)中最大的外負(fù)載 ——液壓缸的機(jī)械效率，一般=0.9~0.97 求的=715N 查閱資料得： 在高壓系統(tǒng)中，背壓的估算值可忽略不計(jì)。 P驅(qū)=13260N。 一般情況下，P實(shí)際≥。 3.5.3驅(qū)動(dòng)油缸的計(jì)算 1. 工作壓力的確定 選用額定壓力為25MPa的液壓缸。 A= 活塞桿直徑選用125mm。 則液壓缸內(nèi)徑為： D= 2. 選用內(nèi)徑為160mm的液壓缸。 3. 行程選擇為500mm。 3.5.4缸蓋的強(qiáng)度計(jì)算 （1）缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 當(dāng)缸體和剛該用法蘭連接時(shí)，螺釘除了應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度之外，還要保證聯(lián)結(jié)的緊密性。同時(shí)，在剛該所受的合成液壓力的作用下，聯(lián)接一定要有足夠的剩余鎖緊力，以免形成間隙而漏油。 在這種聯(lián)接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面（羅紋根部橫截面）上承受的拉力Q是工作載荷Q與剩余鎖緊力Q之和。即： Q=Q+ Q 式中 Q——工作載荷（公斤）； Q==49.0625 公斤 式中 P——?jiǎng)傇撍艿暮铣梢簤毫Γü铮? Z——螺釘數(shù)目，Z= D——螺釘中心所在圓的直徑（毫米）； P——油缸內(nèi)油液的工作壓力（公斤/厘米） Q——剩余預(yù)緊力。對(duì)于要求緊密性的聯(lián)接取Q=KQ，K=1.5~1.8所以，當(dāng)取K=1.6時(shí)，Q=78.5公斤 算的Q=49.0625+78.5=127.56公斤 因此，螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： = 公斤/厘米 式中螺釘材料為塑性的，而且當(dāng)進(jìn)行擰緊時(shí)，在危險(xiǎn)剖面上，同時(shí)存在著拉英里和扭應(yīng)力，所以應(yīng)該將螺釘所受的拉力加大30%得Q=1.3Q 對(duì)于普通螺紋，內(nèi)徑d=d-1.224S 所以=4760公斤/厘米，查表得鋼號(hào)為40Cr的螺釘為6500，故滿足要求。 3.5.5活塞桿的穩(wěn)定行驗(yàn)算 此桿為受壓活塞桿，且>15。進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。 活塞桿由45#鋼制成，=350MPa，=28MPa，E=210GPa，長(zhǎng)度=1200mm，直徑d=60mm，最大壓力=15.1KN，規(guī)定穩(wěn)定安全系數(shù)為=8～10。校核穩(wěn)定性： 活塞桿簡(jiǎn)化成兩端鉸支桿，截面為圓形，i=，柔度為 柔度。 所以不能用歐拉公式計(jì)算臨界壓力。若用直線公式，由表查的優(yōu)質(zhì)鋼的a和b分別為：a=461MPa，b=2.568MPa。 。 可見(jiàn)活塞桿的柔度介于和之間，是中等柔度壓桿。由直線公式求出臨界壓力為：MPa。 活塞桿的安全系數(shù)為：n=。 所以滿足穩(wěn)定性要求。 3.5.6大手臂系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算 在整個(gè)機(jī)械手的工作循環(huán)中，上升階段所占的時(shí)間最長(zhǎng)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，主要考慮上升時(shí)的發(fā)熱量。一般情況下，上升時(shí)發(fā)熱量最大，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)提供的能量很大一部分用來(lái)化為機(jī)械手的構(gòu)件的勢(shì)能，由于限壓試變量泵在流量不同時(shí)，下率相差極大，所以分別計(jì)算最大，最小時(shí)的發(fā)熱量，然后加以比較，取數(shù)值大者進(jìn)行分析。 當(dāng)V=1500cm/min時(shí) Q=m/min=25.9L/min 此時(shí)泵的效率為0.7，泵的出口壓力為3.2MPa，則有 ==1.38Kw =Fv=13600=4.005Kw 此時(shí)的功率損失為： 1.3533kW 當(dāng)v=125cm/min時(shí)，q=9042L/min,總效率=0.7 則==0.718Kw =Fv=13600125 3.5.7 設(shè)計(jì)手臂時(shí)注意的問(wèn)題 一、手臂應(yīng)該剛度大，重量輕 我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手懸伸長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，若手臂的剛度不夠，則會(huì)導(dǎo)致手臂彎曲變形過(guò)大，就會(huì)引起手臂的定位不竟準(zhǔn)，而且也直接影響活塞桿（大手臂）運(yùn)動(dòng)的靈活性。另外，手臂在起動(dòng)或制動(dòng)的過(guò)程中受到慣性力或者慣性力矩的作用，手臂將會(huì)發(fā)生顫動(dòng)，由于手臂的顫動(dòng)，也回影響手臂的定位精度，除了采用可靠的定位裝置外，應(yīng)對(duì)手臂結(jié)構(gòu)有一定的剛度要求，才能保證手臂的準(zhǔn)確工作和一定的定位精度。 手臂懸伸的彎曲變形主要與手臂的抓取重量、手臂結(jié)構(gòu)本身的材料、截面形狀以及幾何尺寸等有關(guān)。在相同的條件下，工字形截面梁的彎曲剛度比圓截面要大10~20倍；空心管的彎曲剛度為實(shí)心軸的4~5倍。而且，工字形梁和空心梁的重量比能承受同樣彎曲剛度的實(shí)心軸要輕的多，所以，在本次設(shè)計(jì)中，我們采用的是工字形的梁臂結(jié)構(gòu)。它承受垂直方向的載荷能力大，而且手臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕巧。 二.應(yīng)使手臂運(yùn)動(dòng)速度快、慣性大 手臂的運(yùn)動(dòng)速度是由形成大小、生產(chǎn)節(jié)拍的時(shí)間和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及抓重大小來(lái)決定的。一般情況下，我們?cè)O(shè)計(jì)的好艘比的移動(dòng)和回轉(zhuǎn)速度均為等速運(yùn)動(dòng)（即V和為常數(shù)），但是在手臂啟動(dòng)和制動(dòng)的過(guò)程中，它的運(yùn)動(dòng)為加速和減速運(yùn)動(dòng)。理想狀態(tài)下，機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)到形成終點(diǎn)的時(shí)候，加速度為零，所以停止的瞬間沒(méi)有慣性沖擊，這是最理想的狀態(tài)。但是因?yàn)榧铀俣仁亲兓?，手臂非等速運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)就復(fù)雜的多。其運(yùn)動(dòng)曲線如圖所示： 由于制造設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，我們放棄了理想中機(jī)械手的最佳運(yùn)動(dòng)方案。而采取了一般的設(shè)計(jì)。為了減少慣性沖擊，我們采取了以下的措施： （1） 手臂架選用鋁合金這種輕質(zhì)材料來(lái)制造，以減輕手臂運(yùn)動(dòng)件的重量。 （2） 盡量縮短了手臂懸伸部分的長(zhǎng)的，使手臂未伸出時(shí)的總重量的重心盡量靠近立柱，以減小回轉(zhuǎn)半徑，此外對(duì)編制程序時(shí)，應(yīng)該盡量先縮回后再回轉(zhuǎn)或在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)，以減小慣性力矩。 （3） 減小手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸，使其結(jié)構(gòu)緊湊。 （4） 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中增設(shè)緩沖裝置，使運(yùn)動(dòng)減速緩沖。 四、 應(yīng)使手臂傳動(dòng)準(zhǔn)確、導(dǎo)向性好 為了能準(zhǔn)確的傳遞工件和保證傳動(dòng)的平穩(wěn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了導(dǎo)向和支承裝置，以保證手指的正確方向，并增強(qiáng)手臂的剛性。 五、 輸油管道的布置應(yīng)合理 機(jī)械手的各工作油缸彼此在空間作相對(duì)的直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，要求結(jié)構(gòu)緊湊、外觀整齊、動(dòng)作靈活，因此對(duì)各工作油缸的輸油管道不止應(yīng)給予足夠的重視，尤其是接近工作對(duì)象的手腕和手指夾緊缸，在外部用很多的軟管向油缸輸入壓力油，雖然軟管安裝和維修比較方便，但是它會(huì)影響機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，并且容易損傷，而且對(duì)外觀的整齊有影響。 所以，我們對(duì)機(jī)械手的輸油管道的布置，采用了從液壓操縱板引出油管，通到油路分配板處集中輸入，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在缸壁或活塞桿等內(nèi)部鉆孔形成管道，并采用回轉(zhuǎn)接頭和伸縮油管，將壓力油輸往運(yùn)動(dòng)部分的油缸，從而保證手臂的外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單整齊美觀，但是工藝性方面就受到了一定的影響。 總 結(jié) 參考文獻(xiàn)： ［1］ 羅迎社主編. 材料力學(xué). 武漢理工大學(xué)出版社，2000. ［2］ 唐增寶，何永然，劉安俊主編.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì).華中理工大學(xué)出版社，1998. ［3］ 成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)——聯(lián)接與緊固.北京化學(xué)工業(yè)出版社，2004. ［4］ 曹玉平，閻祥安主編.液壓傳動(dòng)與控制.天津大學(xué)出版社，2003. ［5］ 毛謙德，李振清主編.袖珍機(jī)械設(shè)