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工業(yè)機械手的結構設計與分析 摘 要 ： 隨著工業(yè)的快速發(fā)展，工業(yè)加工制造中科技水平越來越高，越來越多的自動化機器出現(xiàn)在加工生產線上。本課題是設計一個五自由度的液壓機械手，能夠在大范圍的區(qū)域內抓取工件并進行相關的運動。 本文將對機械手的手部、腕部、臂部、機身等結構進行分析設計，通過對機械手的受力分析，設計相應的結構。其中，手部采用滑槽杠桿式結構，手爪通過摩擦力夾緊工件，驅動部分選用液壓缸提供拉力；手腕選擇回轉液壓缸實現(xiàn)旋轉運動；臂部選擇雙導向桿結構起支撐作用，液壓缸實現(xiàn)伸縮與升降；大臂置于機身回轉缸之上的形式；選擇合適的驅動方式，實現(xiàn)工件從抓取到搬運過程中平穩(wěn)運動。 本文研究的機械手一定程度上提高了機械加工的效率，改善了人們的勞動條件，可以為以后其他機械手設計提供參考。 關鍵詞：機械手，液壓傳動，液壓缸 II Structural design and analysis of industrial manipulator Abstract： With the rapid development of industry, the level of science and technology in industrial processing and manufacturing is getting higher and higher. More and more automatic machines appear on the processing line. This topic is to design a five degree of freedom hydraulic manipulator, which can grasp workpiece and carry out related movement in a large area. This paper will analyze and design the hand, wrist and arm of the manipulator, and design the corresponding structure by analyzing the force of the manipulator. Among them, the hand adopts the lever type structure of the sliding groove, the hand clamps the workpiece through the friction force, the driving part uses the hydraulic cylinder to provide pulling force; the wrist chooses the rotary hydraulic cylinder to realize the rotation movement; the arm chooses the double guide rod structure to play the supporting role, the hydraulic cylinder can be telescopic and lifted, and the large arm is placed above the rotary cylinder of the fuselage. Choose suitable driving mode to achieve stable movement of workpiece from grasping to transporting. The mechanical hand studied in this paper improves the efficiency of mechanical processing to a certain extent, improves the working conditions of people, and can provide reference for the design of other manipulator in the future. Key words: mechanical hand, hydraulic transmission, hydraulic cylinder 目錄 摘要···························································································································· Ⅰ 目錄······························································································································ Ⅲ 1 緒論 1 1.1 課題的研究背景和意義 1 1.2 國內外研究狀況 1 1.3 課題研究的內容 3 2 總體方案的設計 4 2.1 設計工作要求 4 2.2 結構參數(shù) 4 2.3 總體參數(shù) 5 3 手部的結構設計 6 3.1 手部設計概述 6 3.2 驅動力的計算 6 3.3 夾緊液壓缸的設計計算及校核 8 4 腕部的結構設計計算 11 4.1 腕部設計概述 11 4.2 腕部回轉力矩的計算 12 4.3 回轉缸的結構設計 13 4.4 缸蓋螺釘?shù)脑O計計算與校核 14 5 小臂結構設計計算 16 5.1 小臂設計概述 16 5.2 液壓缸伸縮驅動力的計算 16 5.3 手臂伸縮缸結構設計 18 5.4 油缸端蓋的鏈接方式和強度計算 18 6 大臂結構設計計算 20 6.1 概述 20 6.2 大臂升降驅動力的計算 20 6.3 油缸尺寸參數(shù)的計算 21 6.4 缸蓋螺釘?shù)挠嬎阈：?22 6.5 大臂回轉結構的設計 23 6.5.1 回轉液壓缸驅動力矩的計算 23 6.5.2 回轉油缸各個參數(shù)的確定 24 7 其他輔助結構的設計及校核 26 7.1 俯仰油缸的結構設計 26 7.1.1 俯仰缸的驅動力的計算 26 7.1.2 油缸端蓋螺釘?shù)挠嬎阈：?27 7.2 手臂處雙導向桿設計 28 7.3 軸承的選用及校核 29 7.4 回轉缸輸出軸的設計 29 7.5 油缸的密封 31 8 結論 32 參考文獻 33 致謝 34 III 1 緒論 1.1 課題研究的背景和意義 工業(yè)機械手，從本質上講，它隸屬于工業(yè)機器人的范疇，機器人學是最近幾十年才發(fā)展起來的，它是一門綜合學科，包含了機械電子工程，計算機，自動化控制以及人工智能等多門學科綜合而來的最新研究項目。體現(xiàn)出機電一體化技術的最新成果，是如今科學技術界中發(fā)展得最活躍的技術之一，是衡量一個國家經濟水平與技術的重要標志。機械手能夠在復雜的環(huán)境中完成準確的定位，廣泛應用于工業(yè)生產制造中的各種自動化生產線上，在國家發(fā)展國民經濟中具有廣闊的發(fā)展前景[1]。 機械手：最初是一種可以模仿人的手臂完成一些簡單的動作，如抓取物體在空間移動，翻轉，代替人們的手去完成工作，將人們的雙手從繁重的勞動中解放出來，特別是在現(xiàn)在的制造業(yè)中，更多的地方需要人性化，比如太重的東西，人們搬不動，就可以使用機械手來代替操作，還有一些危險的作業(yè)，像有毒噴漆，具有輻射的環(huán)境，機械手都可以表現(xiàn)出前所未有的優(yōu)勢。所以機械手 圖 1-1 機械手 帶來的巨大積極作用受到了人們的重視，于是現(xiàn)在人們開始在加大對機械手的研究，然后大量運用在生產線上，使得制造業(yè)的發(fā)展又加快了步伐，在工業(yè)中運用的機械手，使自動化的發(fā)展更上升一步空間，向著綜合柔性化發(fā)展，在汽車制造，電器工業(yè)，工程機械，電子等研究新的技術時，引入高級機器人技術后采用柔性化的智能設備，使得傳統(tǒng)的機器人技術得到本質上的提升，機械手的未來必定是智能化，柔性化的系統(tǒng)，讓機器變得比人更聰明[2]。 1.2 國內外研究狀況 機械手是最近才發(fā)展起來的高端產業(yè)，起源于 1960 年左右，經過 50 多年的 發(fā)展歷史，機械手這門綜合學科經歷了波浪式的發(fā)展過程，如今，全球有多大 200 多萬的機械手運行在各種生產線上。最初由美國開始對機械手開展了研究，1958 第 34 頁 共 34 頁 年，美國一個名叫聯(lián)合控制的公司研制成功了世界上第一臺機械手，它的控制方式是示教型的。有可以旋轉的手臂，能抓取工件的手爪。1962 年，又一個新型機械手 Versatran 機械手誕生于美國的機械鑄造公司，它的形狀類似于坦克，手臂相當于坦克的炮管，可以在空間中自由旋轉，手爪安裝在炮管端部，能夠運動在大范圍的圓周區(qū)間中。雖然這些機械手在現(xiàn)在看起來結構都相當簡單，但這都是國外機械手發(fā)展起來的基礎。 現(xiàn)在國外的機械手發(fā)展狀況有如下幾個趨勢，（1）工業(yè)機器人的性能不斷提高，在速度，精度，可靠性平穩(wěn)度等這些方面中有得巨大的提升，而且對于機械手的維修也越來越方便，單個機械手的價格也越來越低，機械手的性價比得到了飛躍的提升。（2）機械手的結構向著摸塊化以及可重構化方向快速發(fā)展，比如機械手中的關節(jié)化模塊，模塊中包含有步進電機，驅動部件，執(zhí)行部件，由這些組成的模塊能夠重構為一個機械手，在國外，已經有這樣的機械手問世。（3） 工業(yè)機械手的控制部分向 PC 機開放出來，有利于機械手控制系統(tǒng)與計算機的結合，控制系統(tǒng)可以做成一個芯片，大大的減小了控制箱的大小，控制方便，更容易操控。（4）機器人技術中越來越多的利用各種傳感器，應用得多的傳感器有力傳感器，加速度傳感器，位移傳感器，圖像傳感器，利用機械手的各種傳感器將周圍的環(huán)境傳送到機器人的控制中心，控制中心收到信號之后自動判斷下一步動作，完成機械手的自動控制。比如機器人在遇到前方障礙時，會自動轉彎繞開障礙，安全動作。（5）虛擬技術以及 AI 人工智能的加入，讓機器人本身也能夠擁有思考，根據外部信號，機器人的中央處理器處理之后輸出動作。還有各種遙感技術的加持，即使在異地也能控制到在遠處進行運作的機器人，這樣避免了在危險環(huán)境中的操作，人們不用置身于險地，在安全的地方也能正常操作[3]。 雖然我國的液壓機械手相對于國際發(fā)展起步較晚，但發(fā)展還是比較迅速 的。在國內機械手研究方面較為突出的有：中國科學技術大學，哈爾濱工業(yè)大 學，浙江大學，由哈工大機器人研究所研制的“836”重點項目，該項目在機械手業(yè)界中取得了巨大的成功。為更好地完成該系統(tǒng)的研究，哈工大成功研制了空間機械手系統(tǒng)原型樣機，該樣機包括 6 自由度可折疊機械臂、手爪、中央控制器和支撐鎖緊機構。關節(jié)采用摸塊化設計方法，集機構、驅動、傳感和控制一體，采用大中心孔設計方法實現(xiàn)機械臂的內部走線，以消除空間環(huán)境對導線及其輸出信號的影響，空間機器人手爪具有高剛度，大夾持力、快速閉合、大抓捕范圍以及準確捕獲姿態(tài)精度等準確性，僅僅是完成這個項目就申請國家發(fā)明專利 10 余項。 在工業(yè)生產中也有不少企業(yè)能自己生產出性能較好的機械手，研發(fā)出機械手的自由度越來越多，因為機械手的自由度越多，越能完成更多，更復雜的動作。液壓機械手是在吸收國外先進技術的基礎上研制開發(fā)而成的，主要用于樹脂砂脫箱造型的涂料流涂、合型或搬運等操作，具有夾緊、砂型翻轉、平衡協(xié)調等功能，全液壓驅動夾緊力連續(xù)可調，動作平穩(wěn)、可靠[4]。液壓機械手可配升降、行走機構，需要根據客戶要求，及現(xiàn)場情況另行非標設計。 1.3 課題研究的內容 本課題是關于液壓機械手的研制，主要研究以下這幾個內容 （1）手部的結構設計 手部是與工件直接接觸的部件，需要進行夾緊油缸及其附屬部件的選擇和校核，活塞桿校核。 （2）腕部的結構設計 它是鏈接手部與臂部的部件，可以沿著自身軸線，從而改變工件在空間中的角度，手腕設計需要考慮滿足啟動和傳輸工件過程中所需要的力矩，還有輸出軸與手部液壓缸之間的鏈接，軸承的布置，使得手腕的結構簡單，緊湊。 （3）小臂的結構設計 小臂主要用來改變手部在空間中的位置，它是主要的執(zhí)行部件，其作用是連接腕部，中間有俯仰油缸的支撐作用，可以完成俯仰動作。尾部通過銷孔連接在大臂上端，能夠繞著中心旋轉一定的角度，主要改變工件在水平方向上的位置，具有較大的范圍。 （4）大臂的結構設計 大臂升降液壓缸的設計，回轉范圍的確定，以及回轉液壓缸的設計校核。回轉缸與機身連接在一起，支撐起整個機械手，完成機械手的所有動作。 2 總體方案的設計 2.1 設計工作要求 本設計目的是為了設計一種五自由度的全液壓驅動的工業(yè)機械手，保證機械手在夾持工件后在空間中大范圍的運動，動作準確，盡量使工件運動穩(wěn)定以提高產品的技工質量，滿足經濟性、可靠性以及標準化。 2.2 結構參數(shù) 根據工作要求，確定機械手的基本結構參數(shù) 根據簡圖 2-1 可知： 2-1 機械手運動結構簡圖 機械手主要由手部、腕部、小臂、大臂、機座等五部分組成。手部：直接與工件接觸的結構，用來夾緊工件， 腕部：連接小臂與手部的結構，可以繞自身軸線旋轉，有一個自由度， 小臂：連接大臂與腕部，可以水平伸縮與俯仰兩個自由度， 大臂：連接小臂與機座，起支撐作用，可以沿軸線旋轉和升降兩個自由度。部分尺寸的初步擬定： 手部和腕部總長為 600mm， 小臂長度 800-1200mm，其中 400mm 為伸縮距離， 大臂長度 1200-1700mm，其中 500mm 為升降高度。 坐標形式以及自由度數(shù)： 根據要求，此工業(yè)機械手采用五自由度球坐標形式，沿 Z 軸轉動，沿 Z 軸方向升降，沿 X 軸轉動，沿 X 方向伸縮，沿 Y 軸轉動。 機械手運動參數(shù)設計 機械手的運動情況如下表 2-1 所示 表 2-1 機械手運動參數(shù)設計 運動方式 動作范圍 運動速度 控制方式 腕部回轉 -90°-90° 180°/s 節(jié)流閥調速 小臂伸縮 400mm 200mm/s 節(jié)流閥調速 小臂俯仰 0°-45° 45°/s 節(jié)流閥調速 大臂升降 500mm 250mm/s 節(jié)流閥調速 大臂回轉 -120°-120° 45°/s 節(jié)流閥調速 2.3 總體參數(shù) 總體參數(shù)如表 2-2  表 2-2 機械手總體參數(shù) 項目 技術參數(shù) 結構形式 球坐標形式 自由度數(shù) 五自由度 最大負荷 40KG 驅動方式 液壓驅動 手指夾持范圍 φ60-φ180 定位精度 ±2mm 安裝環(huán)境 0-50° 通過對整體的方案進行構思，對機械手的各個部位有了充分的了解，一些重要的參數(shù)尺寸心中有一個底，對后面的設計計算做了一個鋪墊，設計起來更方便一些。 3 手部的結構設計 3.1 概述 機械手的手部是重要的執(zhí)行結構，它是工業(yè)機械手與工件直接接觸的部件， 可以執(zhí)行跟人手相似的部分功能，由于工件的結構，大小不一樣，機械手手部的構造也有很多的結構，大部分的手部都是按照抓取工件的不同而專門設計的，對于不同的工件，采用不同的材料以及結構，達到材料的合理使用，以及滿足機械手抓取的要求。不同手部結構有不同的傳力機構，傳力機構又可以分為滑槽杠桿式、連桿杠桿式、齒輪齒條式等。結合本設計，需要較大的開合角以及提供較大的夾緊力，所以采用滑槽杠桿式手部。 在進行手部設計師應該綜合考慮以下等問題應具有足夠的握力（即夾緊力） ○ 1 在確定手指握力的時候，不僅要考慮到工件的重力，還應該考慮到工件在運動過程中所產生的慣性力以及震動，保證工件在運動過程中不會產生松動而脫落。 ○ 2 手指要具有一定的開合角度 兩個手指張開與閉合之間產生的兩個最大位置之間所夾的角度稱為開合角， 開合角的大小決定了工件是否能夠順利的進入與脫開，若機械手要夾持不同尺寸的工件，應該工件的最大尺寸設計。 ○ 3 要保證工件的準確定位 為了使工件在加持中保持準確位置，必須根據被抓取的工件的形狀選擇對應的手指形狀，比如圓柱型的工件最好采用 V 型面的手指結構，以便于工件的自定心。 ○ 4 要具有足夠的強度與剛度 手指除了受到被夾緊工件的反作用力之外，還會受到運動過程的慣性沖擊與振動，因此手指剛度和強度也是設計中應該考慮到的一部分，防止手指在運動中受到震動兒彎曲變形，影響工作質量，盡量使結構簡單，重量輕。 ○ 5 被抓取對象的要求 應該根據工件的數(shù)量以及形狀，抓取部位的不同設計和確定手指的形狀結構。綜合以上要求結合本設計，工件為圓柱型剛件，所以采用滑槽杠桿式手部形 式，手指采用 V 型塊自定心定位，V 型塊上墊合成橡膠，用來增大手指與工件之間的摩擦力，減少滑槽杠桿上拉力的負擔，而且橡膠可以減少手指與工 件之間的刮擦，保證工件的質量要求[5]。 3.2 驅動力的計算 手部設計采用滑槽杠桿式設計，結構形式如圖 3-1，受力分析如圖 3-2 根據圖示的滑槽式手部結構，在拉桿 3 的作用下，銷軸 2 提供拉力 F，通過銷軸中心 O 點。兩手指的滑槽對銷軸的反作用力為 F1、F2，其力的方向垂直于 滑槽中心線 O1O，O2O 并指向 O 點，F(xiàn)1 和 F2 的延長線交 O1O2 于 A 和 B，∠AOC=∠ BOC=α，根據銷軸力的平衡條件，即 ∑ 𝐹𝑋 = 0 得 F1=F2 ∑ 𝐹𝑌 = 0 得 F1=F/(2cosα) F1=-F1’ 圖 3-1 手部結構圖 圖 3-2 滑槽杠桿式手部受力分析 銷軸對手指的作用力為 F1’，手指在握緊工件時產生的力為握緊力，（即夾緊 力），假設握力作用在手指與工件接觸面的對稱平面內，并且兩個力的大小相等， 方向相反，用 FN 表示，由手指的力矩平衡條件可得 ∑ 𝑀(𝑂1) = 0……………………………………(3.1) F1’h=FN b h=a/cosα N ∴F=2bcos2αF /a 式中 a ——手指的回轉支撐點到對稱中心線的垂直距離（mm） α ——工件被夾緊時手指的滑槽中心線方向與兩回轉支點連線的夾 角 b ——工件壓到手部位置受力中心到 O1 點的距離 根據上式可以得出，當驅動力 F 一定時，α 角增大則手指的握力也隨之增大，但 α 角的增大會使得拉桿(即活塞桿)的行程增大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使手部結構變大，因此，一般 α=30°-40°，本次設計取 α=30°。 此手部設計結構簡單，活動靈活，手指的開閉角大等特點，綜合以上驅動力的計算方法，可求出驅動力的大小，為了考慮工件在運動過程中的慣性力以及振動，以及傳動效率的影響，其實際驅動力可以按以下公式計算 F 實際=F 計算/η 工件的重量為 40KG，考慮到慣性和振動 1） 、 手 指 對 工 件 的 夾 緊 力 的 計 算 公 式 : FN≥K1K2K3G…………………………………………………………….(3.2) 式中 K1——安全系數(shù)，通常取 1.2-2.0 本設計取 1.5 K2——工作情況系數(shù)，主要是慣性力的影響，可以按下式計算 K2=1+a/g=1+5/10=1.5 工件最大運行速度 500mm/s 達到最大速度的時間為 0.1s，所以a=△v/△t=0.5/0.1=5 K3——摩擦系數(shù)的倒數(shù) 剛件與橡膠之間的摩擦系數(shù)為 0.8 K3=1/f=1/0.8=1.25 ∴FN=1.5x1.5x1.25x40x10=1125N 2）、由滑槽杠桿式結構的驅動力計算公式 計算 N F =2bcos2αF /a=2x100xcos230x1125/60=2812.5N 3）、取手指的傳動效率為 η=0.85 F 實際=F 計算/η=2812.5/0.85=3309N 3.3 夾緊液壓缸的設計計算及校核 1）根據設計的要求，液壓缸有活塞桿兩個動作，收縮與伸長，分別使工件 被夾緊與松開，本設計選擇雙作用單活塞桿液壓缸，根據所需要的最大夾緊力 3309N 選取合適的液壓缸參數(shù)，由于最大夾緊力為液壓缸的拉力，所以設計時應以有桿腔處的計算公式為準 √ 液壓缸的內徑計算公式 式中： D——液壓缸的內徑 F——液壓缸的夾緊力 D= 4𝐹 πpη + 𝑑2（有桿腔）……………(3.3) P——液壓缸的工作壓力η——液壓缸的工作效率 d——活塞桿的直徑 取 d=D/2 由表 3-1 可知，根據夾緊力，選擇液壓缸的工作壓力為 1Mpa， √ 由 D= 4𝐹 πpη + 𝑑2 =√ 4𝑋3309 3.14x1x10^6x0.95 + (𝐷)2 2 ∴D=0.078m=78mm 根據液壓缸的內徑系列（JB826-66）中選取液壓缸的內徑為 80mm，對應的活塞桿直徑為 d=32mm。 表 3-1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞桿上的外力 N 液壓缸的工作壓力 Mpa 于 5000 0.8-1 5000-10000 1.5-2.0 10000-20000 2.5-3.0 2）液壓缸外徑的選用以及驗算 缸體采用 45 號鋼無縫鋼管，由（JB1068-67）可得液壓缸外徑系列，如表 3-2 表 3-2 液壓缸的外徑系列 缸內徑 32 40 50 60 80 100 125 180 缸外徑 52 60 75 85 105 121 150 215 注：1、液壓缸工作壓力≤16Mpa 2、液壓缸缸體材料為 45 鋼的無縫鋼管 查區(qū)此表可知，缸筒的外徑為 105mm，所以缸筒壁厚為 12.5mm，由于理論壁 厚 δ L=PD/{(2.3[σ]-P)φ}=1x10^6x80/{(2.3x110x10^6-1x10^6)x1}=3.17mm 得出 δ=12.5mm>δ L 滿足要求。 3）缸筒兩端部的計算 ○ 1 液壓缸缸筒底部的計算 √ 此液壓缸的底部沒有設計油口，則底部的厚度為 h≥0.433D 𝑃𝑚𝑎𝑥𝐷 ……………………………………(3.4) [σ](D?d) 式中 D——液壓缸內徑 𝑃max——液壓缸最大工作壓力𝑃𝑚𝑎𝑥=2PN=2Mpa [σ]——缸底材料的許用應力，材料為 45 鋼， [σ]=σP/n=600/5=120Mpa,n 為安全系數(shù)，取 n=5 經計算，h=5mm，考慮到鏈接結構要求取 h=15mm，滿足強度要求。 ○ 2 液壓缸端蓋螺釘強度計算 液壓缸的工作壓力為 1Mpa，選擇螺釘?shù)臄?shù)目 Z=4,危險截面S=π（R2-r2）=3.14x（0.082-0.0322）=0.017m2 ∴Q=PS/Z=1X10^6X0.017/4=4250N 選擇 K=1.5，QS=KQ=6375N Q0=Q+QS=10625N, 螺釘直徑按強度條件計算 d ≥√4𝑄𝐽 ………………………………………………(3.5) 1 π[σ] 式中 QJ——計算載荷 QJ=1.3Q0 QJ=1.3Q0=13812.5 [σ]——許用抗拉應力 [σ]=σ/n o ——螺釘材料的屈服強度，材料選 45 鋼，則屈服強度為 352Mpa n—— 安全系數(shù) n=1.2-2.5，此處取 n=1.8 d1——螺紋內徑 帶入數(shù)據 d1≥0.0095m，所以選擇 M10 的沉頭螺釘 ○ 3 缸筒端部鏈接強度計算 缸筒端部與手指之間采用螺釘鏈接，鏈接如圖 3-3 圖 3-3 端蓋與手部螺釘連接圖 螺釘主要受拉力，工件與手部估重 50KG,根據杠桿原理，螺釘?shù)街行木€的距離為 70mm，手部與工件重心到中心線的距離 210mm， ∴Q=50X10X210/70=1500N，選擇 K=1.5，QS=KQ=2250N Q0=Q+QS=3750N, 螺釘直徑按強度條件計算 d ≥√ 4𝑄𝐽 …………………………………………………………(3.6) 1 π[σ] 式中: QJ——計算載荷 QJ=1.3Q0 QJ=1.3Q0=4875N [σ]——許用抗拉應力 [σ]=σ/n o ——螺釘材料的屈服強度，材料選 45 鋼，則屈服強度為 352Mpa n —— 安全系數(shù) n=1.2-2.5，此處取 n=2 d1——螺紋內徑 代入數(shù)據 d1≥0.0042m，所以選擇 M6 的螺釘，螺釘數(shù)量 z=4 4 腕部的結構設計及計算 4.1 腕部設計概述 機械手的腕部是鏈接手部與小臂的重要結構，主要起支撐作用，還有就是是手部被夾持的零件可以繞著軸線旋轉一定的角度，這就是腕部的回轉運動，可以調整手部的定位。在進行腕部結構設計的時候，特別要注意以下幾點： ○ 1 結構緊湊，剛度好，重量盡量輕。 ○ 2 轉動靈活，摩擦小，密封性要好。 ○ 3 解決好腕部與手部之間的鏈接方式，和小臂之間的鏈接等，以及各個自由度的檢測，油管的布置，軸承的潤滑，維修，調整等問題。 ○ 4 要根據工作情況的要求作出適應的調整。腕部的結構形式: 本設計選擇回轉液壓缸實現(xiàn)手腕的回轉運動，結構緊湊，體積較小，回轉范圍-90°-90°。 圖 4-1 腕部結構圖 腕部的結構形式如上圖 4-1 定片與回轉缸用螺釘連在一起，動片與用螺釘和輸出軸連在一起，當回轉缸的兩個油口通入壓力油之后，壓力油推動動片轉動，所以輸出軸帶動手部液壓缸進行旋轉，完成回轉運動。 4.2 、手腕驅動力矩的計算 驅動手腕產生回轉運動的驅動力矩必須要克服手腕啟動時作加速運動所產生的慣性力矩，手腕轉動軸與軸承處的摩擦力矩，動片與液壓缸端蓋、定片等處的摩擦力，以及由于轉動的重心與軸線不重合所產生的偏重力矩，手腕轉動時所需要的轉動力矩可以根據下面的公式進行計算： M 驅=M 慣+M 偏+M 摩…………………………………………………(4.1) 式中：M 驅——驅動手腕轉動的驅動力拒 M 慣 —— 慣 性 力 矩M 偏——參與轉動的零件的重量（包括工件，手部，手腕，回轉缸的 動片）對轉動軸線所產生的偏重力矩 M 摩 —— 手 腕 轉 動 軸 與 支 撐 處 的 摩 擦 力1）、所產生的偏重力矩 M 偏，工件在夾持中可能存在不是中心位置，取最大偏心距 e=0.015m。腕部受力圖如圖 4-2 圖 4-2 腕部受力分析圖 M 偏=G1e 式中 G1——工件重量 e——偏心距（即工件中心到腕部回轉中心線的垂直距離）當工件重心和中心線重合時，M 偏=0 當 e=0.015 時，G1=400N M 偏=0.015x400=6N?M 2）、摩擦力矩 M 摩 M = 𝑓（N D +N D ）…………………………………………(4.2) 摩 2 1 1 2 2 式中: f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取 f=0.01-0.02 N1,N2——軸承支撐反力 D1,D2——軸承直徑 由設計可知：N1=1000N,N2=1500N D1=0.05m D2=0.09m M 摩= 0.1(1000x0.05+1500x0.09)=9.25N?M 2 3）、腕部啟動時的慣性阻力矩 ○ 1 當手腕的回轉角速度為ω時，可以用下式計算 M 慣 M 慣=（J+J 工件）ω……………………………………(4.3) 𝑡 式中： ω——手腕的回轉速度 t——手腕啟動過程所花的時間（s），假定啟動過程中近似于等加速運動，一般取 0.05-0.3s 工件 J——手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kg?m2） J ——工件對手腕回轉軸線的轉動慣量（kg?m2） J= 1mr2=0.5x20x0.052=0.025 kg?m2 2 按已知計算；J 工件=mr2/4+ml2/12 工件的最大尺寸 r=90mm，l=440mm，帶入 工件 ∴J =0.73 kg?m2 M 慣=（0.025+0.73）x0.81/0.3=2.04 N?M M 驅=M 偏+M 摩+M 慣 =6+9.25+2.04=17.29 N?M 考慮到液壓缸密封、摩擦等損失的因素，一般 M 取得大些 M 實=1.1-1.2M 驅 M 實=1.2x17.29=20.75 N?M 4.3 、手腕回轉缸參數(shù)確定 圖 4-3 腕部回轉缸示意圖 回轉液壓缸所產生的驅動力矩的計算 回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩 M 總 上圖 4-3 為機械手腕部回轉缸示意圖，根據回轉缸力矩公式 總 M=0.5pb(R2-r2)≥M ……………………………………(4.4) 式中：M 總——手腕回轉時的總力矩 P——回轉液壓缸的工作壓力 R——缸體內孔半經 r——輸出軸半徑b——動片寬度 設計腕部的部分尺寸： 表 4-1 液壓缸的內徑系列（JB826-66）（mm） 20 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 95 100 105 根據表 4-1 設計缸體的內壁半徑為 R=50mm，外徑按中等壁厚設計，由表 3- 2 取 121mm,動片寬度 b=60mm，輸出軸 r=25mm。 根據上述公式 回轉缸的工作壓力 P=2M/[b(R2-r2)]=2x20.75/[0.06x(0.052-0.0252)]=0.37Mpa 所以選擇回轉缸的工作壓力為 0.5Mpa。4.4、油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎闩c校核 圖 4-4 缸蓋螺釘間距示意圖 表 4-2 螺釘間距 t 與驅動力 P 之間的關系 工作壓力（Mpa） 螺釘?shù)拈g距 t（mm） 0.5-1.5 小于 150 1.5-2.5 小于 120 2.5-5 小于 100 t 為螺釘?shù)拈g距，間距與工作壓強有關，有表 4-2，在這種連接中，每個螺釘在危險截面上承受的拉力為： Q0=Q+QS…………………………………………(4.5) 式中：Q 為工作載荷，QS 為預緊力。 計算：液壓缸的工作壓強為 0.5Mpa，所以螺釘?shù)拈g距小于 15mm。試選 4 顆螺釘， 實際Z=πD/150=3.14x130/150=2.7<4,所以選擇螺釘數(shù)目 4 個合理。危險截面 S=π（R2-r2）=3,14x(0.052-0.0252)=0.0059m2 所以 Q=PS/Z=0.5x10^6x0.0059/4=737.5N QS=KQ(K=1.5-1.8) 取 K=1.5 則 QS=1.5x737.5=1106.25N Q0=Q+QS=1843.75N 螺釘?shù)牟牧线x擇 Q235，則[σ]= σS/n=240/1.5=160Mpa(n=1.2-2.5) 螺釘?shù)闹睆? d≥ 4x1.3𝑄0…………………………………………(4.6) π[σ] √ 代入數(shù)據 d≥0.004m 考慮到螺釘還有承載其他附加力的作用，選擇 M8 的螺釘滿足設計要求。 動片和輸出軸之間的鏈接螺釘 鏈接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位，鏈接螺釘?shù)淖饔茫?使動片和輸出軸之間緊密配合，當油腔通入高壓油時，動片受油壓作用產生一個合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩 根據設計可知，螺釘主要受剪切應力，由于產生的最大扭矩為 20.75 N?M， 所以螺釘上所受的剪切力大小為 FS=20.75x4=83N。 螺釘?shù)牟牧线x擇 20 鋼，[τ]=30Mpa τ= FS/A≤[τ],A=πd2/4 代入數(shù)據 d≥2.1mm 所以選擇 M4 的螺釘 5 小臂的結構設計與校核 5.1 小臂設計概述 小臂主要用來改變手部在空間中的位置，它是主要的執(zhí)行部件，其作用是連接腕部，中間有俯仰油缸的支撐作用，可以完成俯仰動作。尾部連接在大臂上端， 主要改變工件在水平方向上的位置，具有較大的范圍，手部在空間的位置主要取決于臂部的運動方式。 機械手的設計基本要求： ○ 1 臂部應承載能力大，剛度好，自重輕。 ○ 2 手部動作靈活，位置精度高。 ○ 3 運動速度快，慣性小等特點。手部的典型機構以及結構選擇常見的手部結構有以下幾種 ○ 1 雙導桿手臂伸縮機構 ○ 2 雙層油缸空心活塞桿單桿導向機構 ○ 3 采用花鍵軸套導向的手臂升降結構 ○ 4 雙活塞伸縮油缸結構 ○ 5 活塞桿和齒條機構 綜合考慮本設計，液壓缸的設計選擇雙導向桿伸縮機構，其手臂的伸縮油缸安裝在兩根導向桿之間，導向桿上下對稱布置，由導向桿承擔彎矩作用，活塞桿主要受拉壓作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形美觀，結構緊湊，液壓缸選擇雙作用單活塞桿液壓缸。 5.2 液壓缸伸縮驅動力的計算 對于此處的液壓缸，受到的各種力比較復雜。第一步要做的是根據與結構尺寸進行估算，或者找到跟此差不多的結構，類比他們的計算方法算出驅動力大小， 然后初步確定有關結構的主要尺寸，最后在進行校核，修正參數(shù)，最終得出結構。 做水平伸縮的直線運動液壓缸的驅動力根據液壓缸運動時所克服的摩擦，慣性，俯仰后工件以及手腕手部所受重力的分力等。幾個方面的阻力來確定液壓缸所需要的驅動力，所以液壓缸的驅動力的計算公式為 F=F 摩+F 慣+F 重+F 回 由于液壓缸的會有背壓非常小，此處忽略不計 F 回=0 1）手臂摩擦力的分析計算 5-1 導向桿結構簡圖 液壓缸密封處的摩擦很小，相對于導向桿的摩擦來說可以忽略不計，由于導向桿對稱布置，兩條導向桿的受力一致，可以按一個導向桿的受力分析計算 根據導向桿結構簡圖，受力分析得出以下式子成立 由∑ 𝑀𝐴=0,得 G·L=a·𝐹𝑏，∴𝐹𝑏=G·L/a 由 G+𝐹𝑏 = 𝐹𝑎，得𝐹𝑎=G（L+a）/a F 摩 =Fa 摩 +Fb 摩 =u（Fa+Fb） F 摩= u′·G（2L+a）/a……………………………………(5.1) 式中：G——參與運動總部件所受的總重力（包括工件） L——手臂與運動部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m） a—— 導 向 支 撐 的 長 度 u′——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐截面有關,對于圓柱面： u′=（4/π-π/2）u=(1.27-1.57)u，鋼對鑄鐵取 u=0.18-0.3。導向桿的材料選擇鋼，導向支撐套選擇鑄鐵 u′=0.2x1.5=0.3 工件 圓柱總體 參與運動零件的總重包括工件的重量，手部的重量手腕的重量，手腕手部可以看做一個圓柱體，所以所有的重量之和 G=G +G =40x10+（3.14x162/4） 55x0.0078x10=1262N。 由于手腕有空心結構，所以此計算方式遠遠滿足要求，保證了強度要求，根據液壓缸的伸縮形成 400mm，以及運動部件重心位置，取 L=660mm，導向支撐的長度 a 設計為 180mm，將相關數(shù)據帶入進行計算， F 摩= u′·G（2L+a）/a=1262x0.3x（2x660+180）/180=3155N 2)手臂慣性力的計算 F =0.1G ?𝑣…………………………………………………(5.2) 慣 ?𝑡 式中 G——參與運動的總重力（包括工件）同上 Δv——從靜止加速到工件速度的變化量Δt——啟動時間（s）,一般取 0.1-0.5s 設計啟動時間為 Δt =0.3s, Δv=0.2m/s F 慣=0.1x1262o.2/0.3=84N 3)手臂俯仰時重力作用在活塞桿上的分力的計算 已知手臂的最大仰角為 45°，由下圖 5-2 可知 圖 5-2 小臂最大仰角時受力分析 F 重=Gsin45°=1262x√2/2=892.4N 綜上所述 F=F 摩+F 慣+F 重=3155+84+892.4=4131.4N 5.3 手臂伸縮缸的結構設計 根據以上的計算，液壓缸的驅動力為 4131.4N，由表 3-1，選擇液壓缸的工作壓力為 1Mpa。 1）確定液壓缸的結構尺寸液壓缸的內徑的計算公式 √ D= 4𝐹 πpη ……………………………………………(5.4) 式中：F——活塞桿的驅動力（N） P——液壓缸的工作壓力（Mpa） η—— 油缸的機械效率，η 取 0.96 代入數(shù)據得 D=74mm 根據(JB826-66)選擇標準液壓缸內徑系列，取 D=80mm，外徑按中等壁厚設計 ， 由 (JB826-67) 取 外 徑 為 108mm 2）活塞桿的計算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）的運動要求，對于桿長 L 大于直徑 d 的 15 倍以上時，按拉壓強度計算 √ d ≥ 4𝐹 （mm） 𝜋[σ] 設計中選擇活塞桿的材料為碳鋼，碳鋼的許用應力[σ]=100-120Mpa，本設計中取 100Mpa，則 d≥7.3mm 表 5-2 活塞桿直徑系列(mm)（GB/T2348-93） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 50 63 70 80 90 100 考慮到活塞桿穩(wěn)定性問題，先試選活塞桿的直徑為 d=20mm 現(xiàn)在進行活塞桿的穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定條件為 F≤Pk/nk………………………………………………(5.5) 式 中 ：Pk—— 臨 界 力 (N) nk——安全系數(shù)，nk=2-4 在中長干進行校核時，其臨界力 Pk=S（a-bλ） 式中：S——活塞桿截面的面積（mm） a，b——常數(shù)，與材料的性質有關，碳鋼 a=461，b=2.47 λ——柔度系數(shù)，經計算為 90,λ=ul/i=1x450/5=90 帶入數(shù)據：臨界 Pk=F（a-bλ）=74951.8N 取 nk=3，F(xiàn)=4131.4≤Pk/nk=24983N 所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。 5.4 油缸端蓋的鏈接方式和強度計算 為保證鏈接的緊密性，螺釘間距 t 應該去合適值，在螺釘鏈接中，每個螺釘在剖面上承受的拉力為 Q0，是工作載荷 Q 和剩余預緊力 Qs 之和 Q0=Q+QS………………………………………………(5.6) 式中：Q——工作載荷 Q=F/z F——驅動力Z——螺釘?shù)臄?shù)目 QS——剩余預緊力，QS=KQ，K=1.5-1.8 計算：D=80mm，取 D0=100mm，P=1Mpa，間距與工作壓強有關，根據表 4-2， 間距小于 150mm，試選螺釘?shù)臄?shù)目為 4 個 則 z=πD0/t,帶入數(shù)據得 t=78.5<150 滿足要求 Q=F/z=( 𝜋𝐷2P/z)=1256N 4 取 K=1.5 𝑄𝑠=1.5Q=1884N 𝑄0=Q+𝑄𝑠=1256+1884=3140N 螺釘直徑按強度條件計算 𝑑 ≥ 4x1.3𝑄0…………………………………(5.7) π[σ] 1 √ QJ——計算載荷 QJ=1.3Q0 QJ=1.3Q0=4875N [σ]——許用抗拉應力 [σ]=σ/n o ——螺釘材料的屈服強度，材料選 45 鋼，則屈服強度為 352Mpa n —— 安 全 系 數(shù) n=1.2-2.5， 此 處 取 n=2 d1——螺紋內徑 代入數(shù)據，d1≥0.0054m，所以取 M6 的鏈接螺釘合理。 6 大臂的結構設計 6.1 概述 大臂是鏈接機身與小臂的重要結構部件，主要起支撐小臂的作用，大部頂端通過吊耳中孔，和小臂使用銷軸鏈接，可以在機身回轉缸上實現(xiàn)繞自身軸線回轉以及豎直方向上升降，大臂可以與回轉機構組成機身固定在機身底座上， 機身可以用螺釘固定在地面，也可以是行走的小車上，移動的范圍更大，還可以連接在軌道上跟著軌道運動。流水線上的機械手大多數(shù)都是固定在地面上 的 。根據設計的要求，大臂的伸縮行程為 500mm，手臂回轉范圍為±120°， 采用大臂置于回轉缸的結構形式。大臂結構跟小臂結構相似，同樣采用和小臂處一樣的雙導向桿結構。 6.2 大臂升降缸驅動力的計算1）大臂升降缸不自鎖條件 對于懸臂式機械手，其傳動件，導向桿和定位元件的布置應當合理，以 減少對升降軸線的偏心力矩，防止“卡死”現(xiàn)象，即“自鎖”，不自鎖的條件為 h≥2ρf………………………………………………………(6.1) 式中：h——導向支撐長度 ρ——旋轉整體的偏心距離f——摩擦系數(shù) 2）手臂偏重力矩的計算 圖 6-1 機械手簡圖 估算重量，根據小臂的設計可知，手部、手腕、以及工件的重量為 G=1262N 小臂的重量𝐺手臂=400N，計算零件的中心位置，求出重心到回轉軸線的距離ρ， 由前面設計可知，ρ1=1260mm，ρ2=450mm 所以ρ=（Gρ1+𝐺手臂ρ2）/G 總=1065mm 偏重力矩 M 偏=G 總ρ=1662x1.065=1134N·M 根據前面的不自鎖條件，導向支撐長度 h≥2ρf，取摩擦系數(shù) f=0.15，則導向支撐長度 h≥2x1134x0.15=340.2mm，取 h=350mm 3）油缸的驅動力 F=F 慣+F 摩+F 回±G…………………………………………(6.2) 式中：F 摩——摩擦阻力 G——工件以及各零件的總重 F 慣——啟動時產生的慣性阻力 ○ 1 F 摩的計算，可以參考小臂雙導向桿設計時的計算方法，活塞桿密封處摩擦力較小，可忽略不計，根據圖 6-2 受力分析可得 Fa-Fb=0 ∴Fa=Fb 圖 6-2 機械手受力分析 ∑ 𝑀𝐴=0,Fb·h=ρ·G 總，F(xiàn)b=ρ·G 總/h,F 摩=2Fbf=1517N ○ 2 F 慣的計算 F 慣=G 總△v/(g△t)…………………………………………(6.3) 式中：△v——從啟動到穩(wěn)定運行的速度變化 △t——啟動時間，一般取 0.03-0.5s 根據設計要求，大臂的升降速度為 0.25m/s。設定啟動時間為 0.2s，帶入式中可得 F 慣=1662x0.25/（9.8x0.2）=212N 由于會有背壓的阻力很小，可將其忽略不計所以 F=1517+212±1662 當液壓缸上升時，驅動力 F=3391N 當液壓缸下降時，驅動力 F=67N 6.3 油缸尺寸參數(shù)的計算 1)液壓缸內徑的計算， 液壓缸的驅動力按上升時計算，F(xiàn)=3391N，由表由表 3-1，選擇液壓缸的工作 壓力為 1Mpa。 √ 根據液壓缸的內徑的計算公式 D= 4𝐹 ……………………………………………(6.4) πpη 式中：F——活塞桿的驅動力（N） P——液壓缸的工作壓力（Mpa） η—— 油缸的機械效率，η 取 0.96 代入數(shù)據得 D=67.08mm 根據(JB826-66)選擇標準液壓缸內徑系列，取 D=80mm，外徑按中等壁厚設計，由(JB826-67)取外徑為 108mm。 2）活塞桿的計算 √ 設計中取活塞桿的材料為碳鋼，碳鋼的許用應力為[σ]=100-120Mpa，取 [σ]=100Mpa，根據公式 d≥ 4𝐹 𝜋[σ] 帶入數(shù)據得 d≥6.6mm，參照小臂的活塞桿設計，同樣選擇直徑為 20mm 的活塞桿。 6.4 缸蓋螺釘?shù)挠嬎阈：? 參照第 5 章小臂伸縮缸的設計，為保證鏈接的緊密性，螺釘間距 t 應該去合適值，在螺釘鏈接中，每個螺釘在剖面上承受的拉力為 Q0，是工作載荷 Q 和剩余預緊力 Qs 之和 Q0=Q+QS……………………………………………………(6.5) 式中：Q——工作載荷 Q=F/z F—— 驅 動 力 Z—— 螺 釘 的 數(shù) 目 QS——剩余預緊力，Qs=KQ，K=1.5-1.8 計算：D=80mm，取 D0=100mm，P=1Mpa，間距與工作壓強有關，根據表 4-2，間距小于 150mm，試選螺釘?shù)臄?shù)目為 4 個 則 z=πD0/t,帶入數(shù)據得 t=78.5<150 滿足要求Q=F/z=( 𝜋𝐷2P/z)=1256N 4 取 K=1.5 𝑄𝑠=1.5Q=1884N 𝑄0=Q+𝑄𝑠=1256+1884=3140N 1 √ 螺釘直徑按強度條件計算 𝑑 ≥ 4x1.3𝑄0………………………………………………(6.6) π[σ] 式中： QJ——計算載荷 QJ=1.3Q0 QJ=1.3Q0=4082N [σ]——許用抗拉應力 [σ]=σ/n o ——螺釘材料的屈服強度，材料選 45 鋼，則屈服強度為 352Mpa n —— 安 全 系 數(shù) n=1.2-2.5， 此 處 取 n=2 d1——螺紋內徑 代入數(shù)據，d1≥0.0054m，所以取 M6 的鏈接螺釘合理。 6.5 大臂回轉結構的設計 回轉結構作為機身置于大臂正下方，回轉缸的輸出軸通過軸端部的盤狀薄面端蓋用螺釘與大臂的液壓缸活塞桿和兩導向桿端部鏈接起來，輸出軸豎直方向上放置，旋轉時就帶動整個機械手進行回轉運動。如圖 6-3 大臂與回轉缸的鏈接結構。 6.5.1 回轉液壓缸驅動力矩的計算根據公式 M 驅=M 慣+M 摩 式中：M 驅——驅動手腕轉動的驅動力拒 M 慣 —— 慣 性 力 矩M 摩——手腕轉動軸與支撐處的摩擦力 慣性力矩 圖 6-3 大臂與機身回轉結構 M =J △𝜔 慣 0 △𝑡 式中 J0——臂部回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量。 △ω——回轉缸動片角速度變化量，△ω=ω（rad/s） △t——啟動過程所需時間 s 根據前面計算可知，手臂回轉中心與回轉軸的距離 ρ=1065mm，則 J0=Jc+(Gρ2)/g……………………(6.7) 式中： Jc——回轉零件的重心轉動慣量 Jc=1/12m（l2+3R2） 回轉部件可以等效為一個長1600mm，直徑為180mm 的圓柱體，質量為166.2kg， △ω=45°/s=0.785rad/s，設啟動時間為△t=0.2s。Jc=166.2/12(1.62+3x0.182)=36.8kg·m2 J0=J+（G·ρ2）/g =229kg·m2 M 慣=229x0.785/0.2=899N·M 為了簡便計算，密封處的摩擦力矩 M 封=0.03M 驅，回油背壓很小，此處忽略不計 M 回=0 所以 M 驅=899+0.03M 驅，得 M 驅=927N·M 6.5.2 回轉油缸各個參數(shù)的確定 1）回轉油缸的內徑 D 的計算公式為 D=√103𝑥 8𝑀 驅 + 𝑑2………………………………(6.8) 6𝑃 式 中 ：P—— 回 轉 油 缸 的 工 作 壓 力 Mpa d——輸出軸與動片連接處的直徑，初步設計按 D/d=1.5-2.5 b——動片寬度，按 2b/(D-d)≥2 選取 設計回轉缸的動片寬度 b=100mm，工作壓力為 4Mpa，d=60mm，代入數(shù)據，算出 D=148mm，按照液壓缸的標準系列選取 D=150mm,壁厚設計為 15mm，則外徑為180mm。 2）油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 回轉缸的工作壓力為 4Mpa，根據表 4-2，所以螺釘間距 t 應該小于 100mm， 螺釘安裝處的直徑取 D0=210 螺釘?shù)臄?shù)目