通用液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)【四自由度】,四自由度,通用液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)【四自由度】,通用,液壓,機(jī)械手,設(shè)計(jì),自由度 摘 要 在現(xiàn)代的制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度，同時(shí)中國(guó)各大城市的勞動(dòng)力出現(xiàn)緊張的現(xiàn)象，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用，其發(fā)展趨勢(shì)十分迅猛。它的技術(shù)水平和應(yīng)用程度反映了一個(gè)國(guó)家現(xiàn)代工業(yè)化的水平。目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作，在某些復(fù)雜的裝配生產(chǎn)中也逐步被采納。 通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)大學(xué)所學(xué)知識(shí)，對(duì)機(jī)械手各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)和功能的了解和分析，設(shè)計(jì)了此液壓傳動(dòng)機(jī)械手。本課題重點(diǎn)針對(duì)機(jī)械手的手部、腕部、臀部等各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)與計(jì)算。大致可分為機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)、機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工機(jī)械手，在高溫和危險(xiǎn)的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，可抓取材料特殊的工件，并保證工件不變形損壞。 關(guān)鍵詞：手部，腕部，臂部，液壓系統(tǒng) IV ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality，saving in labor. At the same time, with the phenomenon of labor force in China's cities appeared, industrial robot, as an important member of automation production line, gradually become enterprise is accepted and adopted, its development trend is very rapidly. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the job of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. Integrate the knowledge of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinder coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end device and the control system etc. including Total design, waist’s construction design, the arm’s construction design, the wrist’s construction design, the end device’s construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. The design of the manipulator can be catch and put objects in space flexibility. It can also replace artificial to operate at high temperatures and dangerous areas and can grab weight larger artifacts, guaranteeing the work piece deformation damage. Key words: Manipulator ,Hand,Wrist ,Buttock,Hydraulic system 目 錄 第1章 緒論 2 1.1工業(yè)機(jī)械手概述 2 1.1.1機(jī)械手的應(yīng)用性 3 1.1.2機(jī)械手的先進(jìn)性 3 1.2設(shè)計(jì)目的 4 1.3設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 4 第2章 機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 5 第3章 機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7 3.1 手部設(shè)計(jì) 7 3.1.1夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求 8 3.1.2夾鉗式手部的典型結(jié)構(gòu) 8 3.1.3滑槽杠桿式手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 8 3.2腕部設(shè)計(jì) 12 3.2.1腕部的結(jié)構(gòu)形式 12 3.2.2手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 13 3.3臂部的結(jié)構(gòu) 16 3.3.1手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 16 3.3.2手臂伸縮運(yùn)動(dòng) 16 3.3.3 導(dǎo)向裝置 17 3.3.4手臂的升降運(yùn)動(dòng) 18 3.3.5手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 18 3.3.6手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 19 第4章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 24 4.1各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn) 24 4.2機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 24 4.3機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理介紹 25 4.4液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單計(jì)算 27 4.5液壓系統(tǒng)的性能驗(yàn)算 29 4.5.1系統(tǒng)壓力損失驗(yàn)算 29 4.5.2系統(tǒng)總效率驗(yàn)算 30 4.5.3系統(tǒng)發(fā)熱升溫驗(yàn)算 31 第5章 機(jī)械手的使用與維護(hù) 32 5.1 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護(hù) 33 5.2 一般技術(shù)安全事項(xiàng) 33 結(jié) 論 34 參考文獻(xiàn) 35 致 謝 36 第1章 緒論 機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取、移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)，特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已經(jīng)成為高科技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好的實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的機(jī)械式工作，可以減輕人類的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)力。機(jī)械手越來(lái)越廣泛的獲得了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化的數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更為頻繁。把車床設(shè)備和機(jī)械手組成一個(gè)共同的機(jī)械加工制造單元，應(yīng)用于中小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件運(yùn)輸裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且實(shí)用性較強(qiáng)。目前，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用的水平和國(guó)外相比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，技術(shù)還不夠成熟，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接關(guān)系到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究和設(shè)計(jì)是十分有意義[1]。 1.1工業(yè)機(jī)械手概述 美國(guó)是最早研究機(jī)械手的國(guó)家。1954年由美國(guó)學(xué)者戴沃爾提出了關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的相關(guān)概念，并且申請(qǐng)了專利。此項(xiàng)專利其中說(shuō)：通過(guò)借助伺服技術(shù)，控制機(jī)器人的關(guān)節(jié)，然后利用人手，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作的示教，機(jī)器人完成其相關(guān)的動(dòng)作，這個(gè)就是示教再現(xiàn)機(jī)器人。當(dāng)今社會(huì)發(fā)明的機(jī)器人基本上都是采用這種控制方式。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出了第一臺(tái)機(jī)械手鉚接機(jī)器人。作為機(jī)器人產(chǎn)品最早的實(shí)用機(jī)型（示教再現(xiàn)）是1962年美國(guó)AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。 工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的，應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)的一種高科技設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要組成部分。它的特點(diǎn)是：可通過(guò)編程來(lái)完成機(jī)械手各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼?zhèn)淙撕蜋C(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，充分體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性[2]。 機(jī)械手現(xiàn)今有很多的種類，按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手；按驅(qū)動(dòng)方式可以分為液壓式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等?！? 機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用于抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量和作業(yè)要求可以分為多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是使手部完成轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合等各種運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，來(lái)改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)?？刂葡到y(tǒng)是通過(guò)對(duì)機(jī)械手每個(gè)自由度電機(jī)的控制，來(lái)完成機(jī)械手特定的動(dòng)作的。同時(shí)接收傳感器反饋過(guò)來(lái)的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y(tǒng)的核心通常是由單片機(jī)等微控制芯片構(gòu)成，通過(guò)對(duì)其編程實(shí)現(xiàn)所需要的功能[3]。 1.1.1機(jī)械手的應(yīng)用性 1、有利于提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度。應(yīng)用機(jī)械手，可以提高草料的傳送、工件的裝卸以及機(jī)器的裝配等自動(dòng)化程度，因此可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)共贏生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的目的。 2、有利于提高改善勞動(dòng)條件、有效的使事故大大減小。在高溫、低溫、有放射性、噪聲、臭味、以及其它毒性污染的工作空間狹窄等場(chǎng)所中，如果直接用手操作的話，非常的危險(xiǎn)。但是如果應(yīng)用機(jī)械手的話，在很大程度上地改善工人的相對(duì)勞動(dòng)條件，也有利于提高生產(chǎn)率。并且在某些動(dòng)作簡(jiǎn)單可是重復(fù)作業(yè)的機(jī)械式操作里面，要是用機(jī)械手代替人手進(jìn)行工作，可以大大避免由于操作疲勞等原因造成的相關(guān)人身事故。 3、有利于減少人力，便于生產(chǎn)有節(jié)奏的進(jìn)行。應(yīng)用機(jī)械手代替人工進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，另外由于機(jī)械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另外一個(gè)側(cè)面。因此，在目前的自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)化生產(chǎn)線上幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以便于減少人力以及更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，使生產(chǎn)有節(jié)奏地進(jìn)行[4]。 1.1.2機(jī)械手的先進(jìn)性 機(jī)械工業(yè)發(fā)展的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的一個(gè)重要標(biāo)志。因此，世界各國(guó)都把發(fā)展機(jī)械工業(yè)作為發(fā)展經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的重點(diǎn)之一。生產(chǎn)水平和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步帶動(dòng)了整個(gè)機(jī)械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化已成為發(fā)展的重點(diǎn)。然而在機(jī)械工業(yè)中，許多加工、裝配等生產(chǎn)還是不連續(xù)的。如果單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來(lái)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且效率也低，同時(shí)人的勞動(dòng)強(qiáng)度也會(huì)非常大，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)失誤甚至傷害。顯然，這嚴(yán)重影響和制約了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的效率和自動(dòng)化程度。機(jī)械手的應(yīng)用很好的解決了這一問(wèn)題，它不存在重復(fù)的偶然失誤，也能在一定程度上避免了人身事故。 工業(yè)機(jī)械手在近代，是一項(xiàng)新的技術(shù)，而且快速成長(zhǎng)，很短的時(shí)間里已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)體系里面的一個(gè)非常重要的一點(diǎn)，這種技術(shù)也逐漸發(fā)展成為一個(gè)新的學(xué)科——機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到機(jī)械學(xué)、力學(xué)和電器液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、還有計(jì)算機(jī)技術(shù)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，是一門跨多學(xué)科技術(shù)[5]。 1.2設(shè)計(jì)目的 畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生完成專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的最后一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)可以使學(xué)生在綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行的一次基本的訓(xùn)練。也對(duì)學(xué)生即將從事的工作和未來(lái)事業(yè)的開拓具有一定的意義。 其主要目的： 鍛煉學(xué)生綜合分析和解決本專業(yè)的一般技術(shù)問(wèn)題的能力，鞏固和深化學(xué)生的基本知識(shí)。 鍛煉學(xué)生樹立正確的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)構(gòu)思以及創(chuàng)新思維的能力。掌握工程設(shè)計(jì)的一般程序規(guī)范和方法。 鍛煉學(xué)生使用技術(shù)資料、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)、圖冊(cè)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。 鍛煉學(xué)生進(jìn)行研究調(diào)查，面向生產(chǎn)，面向?qū)嶋H，向工人和技術(shù)人員學(xué)習(xí)的基本工作態(tài)度，工作作風(fēng)和工作方法。 1.3設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求 此次設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是基于液壓系統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)手的設(shè)計(jì)。主要分三個(gè)部分:機(jī)械部分、驅(qū)動(dòng)部分、控制部分。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分。對(duì)于機(jī)械部分，主要是對(duì)機(jī)械手的手部、腕部、臂部和機(jī)身進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)各個(gè)部分的受力分析，設(shè)計(jì)出符合參數(shù)要求的零部件。對(duì)于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，擬訂液壓系統(tǒng)方案，井對(duì)系統(tǒng)方案安全性可靠性進(jìn)行論證。 此次設(shè)計(jì)的要求或技術(shù)指標(biāo)： 1. 采用圓柱坐標(biāo) 2. 具有4個(gè)以上自由度 3. 機(jī)械手抓緊重量為5-30KG 4. 手臂運(yùn)動(dòng)行程和速度 水平伸縮：500 mm,750 mm/s 升降：100mm,250mm/s 回轉(zhuǎn)：220°，110°/s 5. 定位采用點(diǎn)位控制，定位精度為1mm 第2章 機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 方案一：可以采用如圖2.1所示結(jié)構(gòu)的機(jī)械手： 1-機(jī)座 2-手臂升降液壓缸 3-手臂回轉(zhuǎn)液壓缸 4-手臂伸縮液壓缸 5-手腕回轉(zhuǎn)液幾缸 6-手部 圖2.1 機(jī)械手簡(jiǎn)圖 該方案中機(jī)械手采用圓柱式坐標(biāo)，其運(yùn)動(dòng)系包含兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即沿X軸方向的伸縮，沿Z軸方向的升降和繞X軸和Z軸的回轉(zhuǎn)。此種設(shè)計(jì)的機(jī)械手占地面積小而且活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，井且能達(dá)到較高的定位精度。這種機(jī)械手主要部件由四個(gè)液壓液壓缸組成:手臂升降液壓缸、手臂回轉(zhuǎn)液壓缸、手臂伸縮液壓缸和手腕回轉(zhuǎn)液壓缸，如圖2.1的機(jī)械簡(jiǎn)圖所示。 方案二：可以采用如圖2.2的機(jī)械手： 1、機(jī)身 2、液壓缸 3、手腕 4、手部 圖2.2 機(jī)械手簡(jiǎn)圖 此方案采用全液壓系統(tǒng)控制，實(shí)現(xiàn)4自由度的工作，實(shí)現(xiàn)方式也非常的簡(jiǎn)單，可以根據(jù)推程實(shí)現(xiàn)不同工況，這種機(jī)械手是由四大部分組成的，其中，機(jī)身部分可以旋轉(zhuǎn)滿足一個(gè)自由度，液壓缸部分可以完成上下的運(yùn)動(dòng)，手腕部能夠進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，手指部分進(jìn)行抓到工件，這種機(jī)械手可以是用液壓來(lái)進(jìn)行全部的操作，也可以是用電來(lái)進(jìn)行控制，這種機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)是，它的運(yùn)行比較其他的而言可以進(jìn)行一些比較高物件的加工，它的可選擇范圍也是很大的，面積也是非常的廣，缺點(diǎn)或者不足之處是這個(gè)機(jī)械手不是很容易的去安裝，當(dāng)不要繼續(xù)使用的時(shí)候也不好往下拆，而且這種機(jī)械手的造價(jià)一般也是比較的昂貴。一般情況下，我們的工廠或者企業(yè)里面用的不是特別的廣泛。就是從以上的這些方面來(lái)看，它在運(yùn)動(dòng)軌跡方面不如第一個(gè)方案的簡(jiǎn)單一些，等驅(qū)動(dòng)裝置使用相對(duì)較多，維護(hù)相對(duì)困難一些。 由此可見，選擇第一種方案比較的合適一些。 第3章 機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1 手部設(shè)計(jì) 手部，一般是用來(lái)夾持工件的部件，因?yàn)楸晃粘止ぜ某叽绱笮?、重量、材料性能、形狀、表面狀況等的不同，因此機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)多種多樣，多數(shù)手部結(jié)構(gòu)都是由特定工件的要求來(lái)設(shè)計(jì)。大部分的手部，根據(jù)握持工件原理，可分為夾持及吸附兩大類。 夾持類一般有夾鉗式，還有鉤托式和彈簧式。 吸附類的有氣吸式和磁吸式。 由于所設(shè)計(jì)的是通用型的機(jī)械手，因此對(duì)手部應(yīng)具有通用性，能適應(yīng)與不同的場(chǎng)合。因此，采用可更換的手部結(jié)構(gòu)或組合式的手部結(jié)構(gòu)，但是組合式的手部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng)，適用于夾持平板、放料。在夾持直徑不同的圓棒時(shí)，不會(huì)引起中心位置的偏移。但是這種手指結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積大，要求加工精度高。 夾鉗式的手部結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，是由手指、和驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)三部分組成，它對(duì)于抓取多種形狀的工件也有比較大的適應(yīng)性，其中能夠抓取軸、套類零件。運(yùn)用行廣泛，因此這里選用夾鉗式手部結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]。 3.1.1夾鉗式手部設(shè)計(jì)的基本要求 1.應(yīng)具有適當(dāng)?shù)募泳o力和驅(qū)動(dòng)力，手指握力的大小要適宜，力量過(guò)大則動(dòng)力消耗多，不經(jīng)濟(jì)，結(jié)構(gòu)龐大，甚至?xí)茐墓ぜ?。力量太小就夾持不住或者產(chǎn)生松動(dòng)、脫落。在確定握力的時(shí)候，除了要考慮工件重量，還要考慮到傳送或操作中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以此保證工件夾持的安全可靠。 2.手指也有開閉的一些范圍，手指要有一定的開閉角度△V或開閉距離(對(duì)平移型手指從張開到閉合的直線移動(dòng)距離)△S，以此來(lái)方便工件。 3.盡量能夠要保證加工精度，使工件有比較正確的位置。這對(duì)于方位要求的地方，比如有曲拐、凸輪軸等工件，在機(jī)床上安裝的位置要求非常嚴(yán)格，所以機(jī)械手在手部夾持工件以后要保持一定的相對(duì)位置精度。 4.要求結(jié)構(gòu)必須緊揍、重量輕、效率高，需要在保證其強(qiáng)度前提下，盡量要結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以使手臂的重量減少。 5.考慮通用性及特殊要求，普通下，手部一般是專用的，為了能夠擴(kuò)大使用范圍，提高其通用化程度，以此來(lái)夾持不同尺寸和形狀的工件、，一般采用手指可調(diào)辦法。除此，還需要考慮是不是適應(yīng)工作環(huán)境的特殊要求，例如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。 3.1.2夾鉗式手部的典型結(jié)構(gòu) 主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式: （1)回轉(zhuǎn)型 有滑槽杠桿式、連桿杠桿式、內(nèi)卡式、彈簧杠桿式等形式。 （2)移動(dòng)型 移動(dòng)型即手指相對(duì)支座作往復(fù)移動(dòng)。 (3)平面平行移動(dòng)型 這里選用滑槽杠桿式 3.1.3滑槽杠桿式手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 一、驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 1.手 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 圖3.1 滑槽杠桿式手部受力分析 如圖為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷軸2向上拉力為F，并通過(guò)銷軸中心O點(diǎn)，兩手指滑槽對(duì)銷軸的反作用力為、 ，其力的方向垂直于滑槽中心線O1和O2并指向O點(diǎn)，和的延長(zhǎng)線交O1O2于A及B，∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即[1] ∑Fx=0 得 ; ∑Fy=0 得 (3.1) 銷軸對(duì)手指的作用力為。手指握緊工件時(shí)所需要的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并且設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以表示。由于手指的力矩平衡條件，即得 (3.2) h=a/cosα F= (3.3) 式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（mm） α——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； 由此可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，α角增大則握力也增加，但α角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使其結(jié)構(gòu)加大，所以，一般α=30°~40°。這里取角α=30° 。 此種手部的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作靈活，手指開閉角大等特點(diǎn)。綜合上面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可以求出驅(qū)動(dòng)力的大小。為了考慮工件在傳送過(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F實(shí)際應(yīng)按照下面公式計(jì)算，即[4]： (3.4) 二、 夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 夾緊裝置是使手指夾緊工件的動(dòng)力裝置，選用液壓驅(qū)動(dòng)，為單向作用缸，回程用彈簧驅(qū)動(dòng)，手指夾緊工件時(shí)，手指對(duì)工件的夾緊力按下列公式計(jì)算[1] F ≥KKKG (3.5) 式中 K—安全指數(shù)，一般是最開始的設(shè)計(jì)規(guī)定，如1.2—2.0 K—工件情況系數(shù)，由力的大小決定，通過(guò)計(jì)算運(yùn)動(dòng)，可以了解到K2， K— 位置，通過(guò)工件大小可以確定 G---手部的作用對(duì)象 本次設(shè)計(jì)的要求是： T響=0.05s 所以 a==0.9m/s2 K2=1+=1.09 由此 K3=0.5 K1=1.6 G=30kg 則由3.5式得 所以?shī)A緊力為 查表可得齒輪齒條傳動(dòng)的回轉(zhuǎn)型夾鉗手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式為[1] 其中 b=120mm R=30mm 由此可得 F計(jì)算=2558N 而實(shí)際采用的驅(qū)動(dòng)力要大于計(jì)算得出的數(shù)據(jù)。一般都要提到η，這里規(guī)定0.85～0.9。 即 η=0.85 實(shí)際的大小為3000N b---手到零件的長(zhǎng)度 R---這個(gè)大圓的半徑 手指加緊工件時(shí)，此時(shí)便有彈力[5] F=λ (3.6) 式中 F彈簧由于彎曲的力 λ—手部對(duì)于零件的系數(shù) G-彈簧的切削模量 d—為了使手指松開的復(fù)位彈簧直徑 d=4mm； C—為彈簧的旋繞比 C= (3.7) Z彈簧所有的數(shù)目 由上可得 F=400N 求夾緊缸的工作壓力[5] P=P實(shí)際+P彈+P封 (3.8) 式中 P—夾緊活塞上的機(jī)械載荷； P實(shí)際—實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)力； P封—密封處的工作壓力，由摩擦力較工作阻力小 計(jì)算得 p =1.06 P實(shí)際+P彈=3572.12N 因?yàn)閯?dòng)力與其相等，所以由此可以確定液壓缸的直徑[5]： 由 F實(shí)際= 根據(jù)要求來(lái)算 D= =0.040mm (3.9)  3.2腕部設(shè)計(jì) 腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計(jì)腕部時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 ② 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性要好。 ③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個(gè)自由度的位置檢測(cè)、管線的布置以及潤(rùn)滑、維修、調(diào)整等問(wèn)題 ④ 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。 此外，通往手腕液壓缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過(guò)，以便于手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。 3.2.1腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機(jī)械手采用了回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為±110°。 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋都用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)片與手部的夾緊液壓缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也是指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)液壓缸的兩腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊液壓缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，便為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖3.4 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu) 3.2.2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)力矩須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩須克服手腕起動(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、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩和由于轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所要的驅(qū)動(dòng)力矩按下式計(jì)算[1]： (3.10) 式中 ——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 ——慣性力矩 ——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動(dòng)片） 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 圖3.5 腕部回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算圖 摩擦阻力矩[5] (3.11)式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取f=0.01～0.02，滑動(dòng)軸承取f=0.1； N1 、N2 ——軸承支承反力 （N）； D1 、D2 ——軸承直徑（m） 由設(shè)計(jì)知 D1=0.035m D2=0.075m N1=800N N2=200N G1=294N e=0.020時(shí) (3.12) 得 =2.15（N.m） 工件重心引起的偏置力矩[2] 式中 G1——工件重量（N） e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回 轉(zhuǎn)中心線重合時(shí)，為零 當(dāng) e=0.020，G1=294N時(shí) =5.88 （N·m） 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩M慣 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時(shí)，可用下式計(jì)算[2] (3.13) 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） t——手腕啟動(dòng)過(guò)程中所用時(shí)間（s），（假定啟動(dòng)過(guò)程中近為加速運(yùn)動(dòng)）一般取 0.05～0.3s J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m） ——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kg·m） 故 = 0.29（N·m） 考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失的因素，一般將M取大一些，可取[2]： (3.14） 得 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)液壓缸要產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩須大于總的阻力矩。 下圖是機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)液壓缸，定片1與缸體2固定連接，動(dòng)片3與轉(zhuǎn)軸5 固定連接，當(dāng)a、b口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)目的。 1-定片 2-缸體 3-動(dòng)片 4-密封圈 5-轉(zhuǎn)軸 圖3.6回轉(zhuǎn)缸簡(jiǎn)圖 (3.15) 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的總的阻力矩 p——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力 R——缸體內(nèi)孔半徑 r——輸出軸半徑 b——?jiǎng)悠瑢挾? 3.3臂部的結(jié)構(gòu) 概述 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，它的作用是支承手部和腕部，并且將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，所以一般機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)立柱進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。立柱進(jìn)行橫向移動(dòng)的時(shí)候，手臂也進(jìn)行的向移動(dòng)。手臂的多種運(yùn)動(dòng)一般由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，還要承受著手部、手腕、以及手臂自身的重量。手臂的工作范圍、結(jié)構(gòu)、靈活性還有它抓重的大小以及定位精度等都可以直接影響機(jī)械手工作性能，所以它必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)速度和其定位精度的要求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。而且設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂受力情況、液壓缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路和手腕的連接形式等因素[8]。所以設(shè)計(jì)臂部的時(shí)候應(yīng)當(dāng)注意以下幾點(diǎn)要求： ① 剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度通常比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實(shí)心軸大很多。所以通常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ② 導(dǎo)向性要好 避免手臂直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，沿手臂的運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或是設(shè)置導(dǎo)向裝置，設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 ③ 偏重力矩要小 偏重力矩指的是說(shuō)臂部的重量對(duì)它支承回轉(zhuǎn)軸所能夠產(chǎn)生的靜力矩。一般為能夠提高運(yùn)動(dòng)速度，都要盡可能的減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以此來(lái)減少偏重力矩和整個(gè)手臂對(duì)于回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 ④ 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、定位精度高 由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高、重量越大，慣性力引起定位前的沖擊也會(huì)越來(lái)越大，運(yùn)動(dòng)就會(huì)不平穩(wěn)，定位精度也不夠高。應(yīng)盡量減少臂部的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)要采取相應(yīng)的緩沖措施[10]。 3.3.1手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械手手臂的伸縮、升降都是屬于直線運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式較多，常用的都有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。 3.3.2手臂伸縮運(yùn)動(dòng) 這里能夠?qū)崿F(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)是采用液壓驅(qū)動(dòng)的活塞液壓缸。由于活塞液壓缸的體積小、重量輕。由圖所知為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕都是通過(guò)連接板安裝在升降液壓缸的上端，當(dāng)雙作用液壓缸1的兩腔分別通入壓力油時(shí)，則推動(dòng)活塞桿2（即手臂）都在作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng)，為了防止手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊液壓缸用的輸油管道）。因?yàn)槭直鄣纳炜s液壓缸安裝在兩導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，因此受力簡(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊?？梢杂迷谧ブ卮蟆⑿谐梯^長(zhǎng)的場(chǎng)合[9]。 3.3.3 導(dǎo)向裝置 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生一定的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，用來(lái)保證手指正確方向，而且使活塞桿可以不受較大彎曲力矩作用，以此來(lái)增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采用合適的導(dǎo)向裝置。它一般要由手臂安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)以及其抓取重量多種因素來(lái)確定，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上也要減少運(yùn)動(dòng)部件的重量以及減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。目前采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿和其他導(dǎo)向裝置，本此設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用雙導(dǎo)向桿。 雙導(dǎo)向桿配置是在手臂伸縮液壓缸兩側(cè)，可以兼做手部和手腕油路的管道。對(duì)于一些伸縮行程很大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可以在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，也就是提高導(dǎo)向桿剛性[11]。 如圖所示，對(duì)于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分彎曲變形，可以在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，可以提高導(dǎo)向桿的剛性。如下圖所示，在導(dǎo)向桿的尾端用支承架將兩個(gè)導(dǎo)向桿連接起來(lái)，支承架兩側(cè)安裝兩個(gè)滾動(dòng)軸承，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動(dòng)的時(shí)候時(shí)，支承架上的滾動(dòng)軸承就在支承板的支承面上滾動(dòng)。 1-導(dǎo)向桿 2-滾動(dòng)軸承 3-支撐板 4-支撐架 圖3.7 雙導(dǎo)向桿手臂結(jié)構(gòu) 3.3.4手臂的升降運(yùn)動(dòng) 如圖3-8所示為手臂的升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時(shí)，活塞杠4做上下運(yùn)動(dòng)，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動(dòng)套筒3做升降運(yùn)動(dòng)。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵9實(shí)現(xiàn)。圖中6為位置檢測(cè)裝置。 1—升降臺(tái) 2—缸體 3—套筒 4—活塞桿 5—活塞 6—固定立柱 7—齒條 8—平鍵 圖3.8 手臂升降和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖 3.3.5手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 為了實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，通常有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。本此設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖所示，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是有齒條活塞桿8驅(qū)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，并且通過(guò)缸體上的平鍵9帶動(dòng)外套一起轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。 3.3.6手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 為了進(jìn)行液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算，可以進(jìn)行伸縮液壓缸、升降液壓缸、回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算，解決臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算問(wèn)題，結(jié)合上面有關(guān)臂部和機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終確定出臂部和機(jī)身的結(jié)構(gòu)。計(jì)算出臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力（包括力矩）時(shí)，必須把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作的時(shí)候，臂部所承受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。 手臂水平伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 作水平伸縮在線運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為 手臂在做水平伸縮運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，必須要克服摩擦阻力，包括了液壓缸與活塞之間的摩擦阻力和導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，而且要克服啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力及加油背壓等方面阻力[13]。 其理論驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算[1]： (3.16) 估計(jì)參與手臂伸縮運(yùn)動(dòng)部件總重量,且重心位置距導(dǎo)向套前端面的距離為200mm。 的計(jì)算： 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱分布，導(dǎo)向桿受力均衡，則可以一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 圖3.9 導(dǎo)向桿 (3.17) 又 則 (3.18) 其中 L——重心距導(dǎo)向套前端距離,184.5mm a ——導(dǎo)向套長(zhǎng)度，300mm μ ——當(dāng)量摩擦系數(shù)，取μ=0.15 的計(jì)算： 當(dāng)液壓缸的工作壓力小于 ，活塞桿直徑為液壓缸直徑的一半，則活塞和活塞桿都采用O型密封圈，此時(shí)液壓缸的密封阻力為[7]： (3.19) 計(jì)算： 一般背壓阻力較小，取0.05 的計(jì)算[2]： (3.20) 式中 Δv——由靜止加速到常速的變化量 Δt——起動(dòng)過(guò)程時(shí)間，一般取0.01～0.5s，取Δt=0.02s 則 (3.21) 得 =305.5N 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 式中 k——安全系數(shù)，k=2； η——傳力機(jī)構(gòu)機(jī)械效率，η=0.8. 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 圖3.10 液壓缸 液壓缸內(nèi)徑的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖，當(dāng)進(jìn)入無(wú)桿腔[1] (3.22) 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔[1] (3.23) 液壓缸的有效面積[1]： 因此[2] ，取D=63mm 式中 F——驅(qū)動(dòng)力 ——液壓缸的工作壓力 d——活塞桿直徑 D——液壓缸內(nèi)徑 η——液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取0.95 液壓缸臂厚計(jì)算 此缸工作壓力為，屬低壓，則缸筒臂厚采用薄壁計(jì)算公式[5] 式中 ——液壓缸內(nèi)工作壓力 d——強(qiáng)度系數(shù)，無(wú)縫鋼管ф=1 C——計(jì)入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標(biāo)準(zhǔn)臂厚值 D——液壓缸內(nèi)徑 聯(lián)接螺釘強(qiáng)度計(jì)算 螺釘數(shù)目Z=4，工作載荷： (3.24) 預(yù)緊力 則 查手冊(cè)取螺紋直徑，p=0.75,材料為35號(hào)鋼的內(nèi)六角螺釘。 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂在作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除了要克服摩擦阻力和慣性力之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算[1]： (3.25) 其中 ——各支承處的摩擦力（N），，f=0.16； ——同上， ——同上， —— G——臂部運(yùn)動(dòng)部件及工件的總重量（N），490N； ±——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。 則 (3.26) 得出 F=727N 結(jié)構(gòu)尺寸的確定 缸內(nèi)徑計(jì)算[2]： ，取D=160mm 根據(jù)強(qiáng)度要求，計(jì)算活塞桿直徑d[2]: ， 結(jié)構(gòu)上，活塞桿內(nèi)部裝有花鍵及花鍵套，能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用，同時(shí)可使活塞桿在升降運(yùn)動(dòng)中傳動(dòng)平穩(wěn)，且獲得較大剛度。 臂厚同伸縮缸一樣，取 聯(lián)接螺釘強(qiáng)度計(jì)算： 取螺釘數(shù)目Z=4，工作載荷[1] 則 查手冊(cè)取，螺距P=0.75 材料為35號(hào)鋼的內(nèi)六角螺釘。 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)當(dāng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來(lái)計(jì)算。若軸承處的摩擦力忽略不計(jì)，則，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為了簡(jiǎn)化計(jì)算可以不計(jì)?？芍苯佑?jì)入回轉(zhuǎn)缸效率中[5]， 則 ，η取0.9 (3.27) 式中 ——角速度變化量（rad/s） ——啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間，0.05～0.5s,取 ——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。經(jīng)分析知， 當(dāng)手臂完全伸出時(shí)，此時(shí)達(dá)到最大值，估算此時(shí)回轉(zhuǎn)零件的重 心到轉(zhuǎn)軸線的距離為ρ=150mm,則 回轉(zhuǎn)缸參數(shù)的計(jì)算[5] (3.28） 式中 D——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 d——轉(zhuǎn)軸直徑 p——回轉(zhuǎn)缸工作壓力 b——?jiǎng)悠瑢挾? 為減少動(dòng)片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度（即液壓缸寬度）時(shí)，可選用[5] ,這里取，且D=2d 對(duì)于活塞、導(dǎo)向套筒和液壓缸等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都應(yīng)當(dāng)做詳細(xì)計(jì)算，由于這些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對(duì)總的計(jì)算結(jié)果影響也很大，對(duì)于小零件則可以作為質(zhì)點(diǎn)計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也可忽略不計(jì)。 第4章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，按照動(dòng)力源一般分為液壓、氣壓和電動(dòng)三大類。有時(shí)也可以是這三種基本類型組成復(fù)合式的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 4.1各種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn) （1)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、能夠?qū)崿F(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等一些特點(diǎn)，適用在承載能力大、慣量大和防爆環(huán)境中作業(yè)的機(jī)械手。 （2)氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 擁有速度快、維修方便、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等一系列特點(diǎn)，適用于中、小負(fù)載的系統(tǒng)，但是一般難于實(shí)現(xiàn)伺服控制，所以一般都用于程序控制的機(jī)械手。 （3)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機(jī)以及配套的伺服驅(qū)動(dòng)器(交流變頻器、直流脈沖調(diào)制器)中廣泛使用，這類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在機(jī)械手中被大量選用。 4.2機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 一般在設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)，選擇一類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，都是根據(jù)機(jī)械手的用途、作業(yè)的要求、機(jī)械手的性能規(guī)范、維護(hù)的復(fù)雜程度、運(yùn)行的功耗、控制功能、性價(jià)比和現(xiàn)有條件等綜合因素來(lái)考慮。在注意各類驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合各因素，論證其合理性、經(jīng)濟(jì)性、可行性及可靠性后進(jìn)行最終選擇。 一般情況下機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇按如下原則: (1) 物料搬運(yùn)用有限點(diǎn)位控制的程序控制機(jī)械手，重負(fù)載的可選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，中等負(fù)載的可以選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，輕負(fù)載的可選用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 （2)用于點(diǎn)焊和弧焊及噴漆作業(yè)的機(jī)械手，要求具有任意點(diǎn)位和軌跡控制的功能，則可以采用伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用液壓或電動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)才能滿足要求，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)中選用液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[8]。 4.3機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理介紹 圖4.1 機(jī)械手液壓系統(tǒng)圖 電磁鐵的動(dòng)作順序表 4.4液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)單計(jì)算 雙作用單桿活塞液壓缸 圖4.2 雙作用單桿活塞液壓缸計(jì)算簡(jiǎn)圖 ①流量、驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 當(dāng)壓力油輸入無(wú)桿腔，使活塞以速度V1運(yùn)動(dòng)時(shí)所需輸入液壓缸的流量Q1為[3] Q1 = DV1 (4.1) 對(duì)于手臂伸縮液壓缸：Q1=0.98cm/s， 對(duì)于手指夾緊液壓缸：Q1=1.02 cm/s ,對(duì)于手臂升降液壓缸：Q1=0.83 cm/s 液壓缸的無(wú)桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上合成液壓力P1即液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為[3]： P1 = Dp1 (4.2) 對(duì)于手臂伸縮液壓缸：p1=196N， 對(duì)于手指夾緊液壓缸：p1=126N ，對(duì)于手臂升降液壓缸：p1=320N 當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運(yùn)動(dòng)時(shí)所需輸入液壓缸的流量Q2為[3]： Q2 = （D-d）V2 (4.3) 對(duì)于手臂伸縮液壓缸：Q1=0.87cm/s， 對(duì)于手指夾緊液壓缸：Q1=0.96 cm/s ,對(duì)于手臂升降液壓缸：Q1=0.72 cm/s 液壓缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即液壓缸的驅(qū)動(dòng)力[3]： P2 = （D-d）p1 (4.4) 對(duì)于手臂伸縮液壓缸：p1=172N， 對(duì)于手指夾緊液壓缸：p1=108N ，對(duì)于手臂升降液壓缸：p1=305N ② 計(jì)算作用在活塞上的總機(jī)械載荷 機(jī)械手手臂移動(dòng)時(shí)，作用在機(jī)械手活塞上的總機(jī)械載荷P為[3] P = P工 + P導(dǎo) + P封 + P慣 + P回 其中 P工 為工作阻力 P導(dǎo) 導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力 P封 密封裝置處的摩擦阻力 P慣 慣性阻力 P回 背壓阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N) ㈠液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算 液壓缸工作時(shí)，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力與活塞桿上所受的總機(jī)械載荷平衡，即 P = P1（無(wú)桿腔） = P2 （有桿腔） 液壓缸（即活塞）的直徑可由下式計(jì)算[3] D = = 1.13 厘米 （無(wú)桿腔） (4.5) 對(duì)于手臂伸縮液壓缸：D=50mm， 對(duì)于手指夾緊液壓缸：D=30mm ，對(duì)于手臂升降液壓缸：D=80mm ，對(duì)于立柱橫移液壓缸：D = 40mm[3] D = 厘米 （有桿腔） (4.6) （二）液壓缸壁厚的計(jì)算： 依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公式，液壓缸的壁厚可用下式計(jì)算[9]：