凸輪軸加工自動線機械手,凸輪軸,加工,自動線,機械手 設(shè)計說明書 課題：凸輪軸加工自動線機械手 班級： 設(shè)計： 審核： 二00五年九月 目錄 一、目錄………………………………………………………………………………………………………2 二、前言………………………………………………………………………………………………………3 （一）機械手的用途說明…………………………………………………………………………3 （二）設(shè)計機械手的目的、意義………………………………………………………………3 （三）設(shè)計指導(dǎo)思想應(yīng)達到的技術(shù)性能要求…………………………………………4 三、設(shè)計方案論證………………………………………………………………………………………5 （一）機械手的原始依據(jù)…………………………………………………………………………5 （二）機械手的運動方案論證…………………………………………………………………6 四、機械手各組成部件設(shè)計計算………………………………………………………………8 （一）抓取機械設(shè)計…………………………………………………………………………………8 （二）手腕機構(gòu)…………………………………………………………………………………………12 （三）手臂設(shè)計…………………………………………………………………………………………14 （四）緩沖裝置設(shè)計…………………………………………………………………………………22 （五）定位機構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………………………………25 （六）機械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計……………………………………………………………………25 五、機械手控制系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………………………25 六、設(shè)計總結(jié)……………………………………………………………………………………………26 七、參考文獻……………………………………………………………………………………………27 二、 前言 （一）機械手的用途說明 機械手是模仿人手工作的機械設(shè)備。實驗用機械手的設(shè)計，是指機械手臂在一定范圍內(nèi)的擺動，手臂的垂直方向的上下移動及手爪的伸縮運動組成。由啟動系統(tǒng)實現(xiàn)各運動的驅(qū)動。它的主要作用是將工件按預(yù)定的程序自動地搬運到需要的位置，或者保持工具進行工作。機械手是利用PLC控制整個系統(tǒng)實現(xiàn)各種運動的自動化控制，且能用于教學(xué)演示。 （二）機械手的目的、意義 機械手是模仿人手的動作，生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大。因此，在機械加工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 目的是，我們對機械手的設(shè)計步驟有一定的平衡了解；也能基本掌握機械設(shè)計的方法；綜合運用學(xué)過的理論知識；全面復(fù)習(xí)繪圖技巧，并較好的運用于畢業(yè)設(shè)計繪圖上。通過這次設(shè)計，使我了解到，自動控制的對象主要是單機或某個生產(chǎn)過程，智能控制則包括控制對象及整個工作環(huán)境或整個生產(chǎn)過程；自動控制的目標(biāo)是使在系統(tǒng)控制的某個狀態(tài)下，盡量消除環(huán)境對系統(tǒng)的影響，智能控制關(guān)心的使最終狀態(tài)或現(xiàn)行狀態(tài)是否合乎要求。因此，要充分考慮環(huán)境的影響；自動控制的學(xué)習(xí)來源重要是對象的狀態(tài)的反饋，所以智能控制需要一個龐大的數(shù)據(jù)庫；自動控制理論著重描述對象的數(shù)學(xué)模型，然后，通過各種控制算法進行控制，以達到目的，智能控制著重直接控制經(jīng)驗。 （三）設(shè)計的指導(dǎo)思想，應(yīng)達到的技術(shù)性能要求 結(jié)構(gòu)簡單：設(shè)計為三自由度的機械手臂，運動形式簡單，可以把手臂設(shè)計成為沿導(dǎo)向裝置運動，直接選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的液壓缸和內(nèi)脹式機械手爪，無須另行設(shè)計。 外觀不要有手臂堵塞外形：設(shè)計盡量要求安裝方便，各非標(biāo)準(zhǔn)件加工方便。因此，不必設(shè)計成套形式，管道也不必安排在手臂內(nèi)部，可以采用軟管直接連接。 本次設(shè)計的手臂不要光用于工業(yè)生產(chǎn)，因此，對各部件的加工精度及安裝要求不高，可以在通用機床上加工完成。 三、設(shè)計方案論證 （一）機械手設(shè)計的原始數(shù)據(jù) 1.組成結(jié)構(gòu) 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及位置檢測等裝置組成。各系統(tǒng)的關(guān)系如圖： 控制系統(tǒng) → 驅(qū)動系統(tǒng) → 執(zhí)行系統(tǒng) → 抓取工件 ‖ —— 位置檢測 —— ‖ 2.執(zhí)行機構(gòu) 包括手臂、手腕、手部和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。 （1） 手部：即與物體接觸的部件，由物體接觸的形式又可分為夾持式和吸附式手部。 （2） 手腕：是連接手腕和手臂的比肩，起改變工件的空間位置的作用。 （3） 手臂：支撐手腕和手臂的部件以改變工件的空間位置。 （4） 立柱：支撐手臂的部件，手臂的各部分運動均與立柱有密切的關(guān)系。 （5） 行走機構(gòu)：為完成遠距離的操作和擴大使用范圍，可增設(shè)滾輪行走機構(gòu)。 （6） 機座：它是機械手的基礎(chǔ)部件，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部分和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝在機座上，起支撐和聯(lián)結(jié)作用。 3.驅(qū)動機構(gòu) 機械手臂的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的出動裝置，常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。 4.控制系統(tǒng) 有電力控制和射流控制兩種，一般常見的為電力控制，這是機械手的重要組成部分，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息，同時按其控制系統(tǒng)的信息，對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時，對機械手的動作進行控制，當(dāng)動作有錯誤時，發(fā)出警報信號。 5.位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機械的運動位置并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置比較，然后控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)一定的精度達到預(yù)定位置。 （二）機械手的運動方案論證 1.機械手的運動形式（坐標(biāo)形式）確定 按機械手的運動坐標(biāo)型可分：直角坐標(biāo)系式機械手、圓柱坐標(biāo)系式機械手、極坐標(biāo)式機械手、關(guān)節(jié)式機械手。 直角坐標(biāo)式機械手：臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個方向移動，亦臂部可以前后伸縮，左右移動，上下升降。采用此種坐標(biāo)形工作范圍小，占地空間大，定位精度好，應(yīng)用較多，適用于空間布置或與自動線配合。 極坐標(biāo)式機械手：手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X方向運動，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，亦手臂可前后伸縮，上下擺動，左右移動。采用此種坐標(biāo)形式工作范圍大，占地空間小，定位精度差，應(yīng)用少。 關(guān)節(jié)式機械手：這種機械手的臂部可分為大臂和小臂，其中大臂和小臂的連接以及大臂和機體的連接均為關(guān)節(jié)式連接，亦小臂對大臂可繞肘部上下擺動一定角度，大臂可繞肩部擺動一定角度，手臂可以左右轉(zhuǎn)動一定角度。采用此種坐標(biāo)形式工作范圍大，占地空間小，定位精度差，應(yīng)用較小。 圓柱坐標(biāo)戲式機械手：這種機械手的運動由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組合而成，手臂沿X、Z方向的移動，還有手臂的水平回轉(zhuǎn)。此種機械手工作范圍教大，靈活程度教高，占地面積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，定位進度高，應(yīng)用比較廣泛，多為通用型。 因此本次設(shè)計我選用直角坐標(biāo)系機械手。 機械手方案簡圖如下： 運動符號： 四、機械手各組成部件設(shè)計計算 （一）抓取機械設(shè)計 1.抓取機械機構(gòu)的基本要求 要有足夠的夾緊力，在確定手指的握力時，除考慮工件的重量外還應(yīng)考慮在傳送或操作中所產(chǎn)生的慣性和震動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落；要有足夠的開合度，手指的開合度應(yīng)保證工件能順利的進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮；要保證工件在手爪中的準(zhǔn)確位置，為使手指和被夾持的工件的反作用力外，還受到機械手在運動中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響要求是有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。保證結(jié)構(gòu)緊湊，重量要輕，便于更換；應(yīng)考慮手指的多用性，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求可制成組合式手指。 手爪的類型可分成指爪式和吸盤式；手爪式又分外夾式和內(nèi)脹式。 手爪：即與物體接觸的部分，由于與物體接觸的形式分為夾持式和吸附式手部。鉗式手部結(jié)構(gòu)由手指傳力。機構(gòu)所組成其傳力形式比較多，如滑槽杠桿式、連杠桿式、斜契杠桿式、彈簧杠桿式等結(jié)構(gòu)形式；按手指夾持工件的部分又可以分為內(nèi)卡式和外卡式；模仿人手指的動作，手指可以分為一支點回轉(zhuǎn)型、二支點回轉(zhuǎn)型和移動型，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為例，而二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成一支點回轉(zhuǎn)型手指。同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變?yōu)闊o窮長時，就變?yōu)橐苿有??；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛，移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，但移動型手指夾持變化的零件時不影響其軸心的位置，其使用于不同直徑的工件。 手爪的定位誤差分析如圖所示： β為偏轉(zhuǎn)角，當(dāng)滿足上式β角時，△誤差最小。 2.手爪夾緊力的計算 本次設(shè)計中采用外夾式手爪，如下圖所示： 手爪夾緊力的計算： 作用在單個手指上的作用力1.732G/F根據(jù)抓重大小來安排裝配手指的方法。 計算式： G——抓重 Kg ——夾緊方位系數(shù) ——慣性力影響系數(shù) ——安全系數(shù)取1.5～2 a——加速度（工件隨手爪運動時產(chǎn)生） g——重力加速度 取10m/s^2 平鉗口 水平位置放，水平位置夾時 V鉗口 水平位置放，水平位置夾時 平鉗口 垂直放，水平夾時 水平放，垂直位置夾時 V鉗口 水平放，垂直位置夾時 平鉗口 垂直夾，垂直放時 水平位置夾懸臂工件 3.手爪的驅(qū)動裝置的選擇與驅(qū)動力計算 目前機械手常用的驅(qū)動方式如前所述，也有其他特殊的驅(qū)動方式，如：步進電機驅(qū)動、直線電機驅(qū)動，但應(yīng)用不多。所有方式中，最常用的為液壓、氣動驅(qū)動方式，下面僅對這兩種方式進行比較選擇。 液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被動的桿件相連，，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，目前多用于機器人系統(tǒng)。 氣壓驅(qū)動：氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動相比，同體積條件下，功率較?。ü虊旱祝宜俣炔灰卓刂?。 由于該裝置的實驗?zāi)Ｐ?，環(huán)境要求無污染，材料經(jīng)費相對短缺，精度和穩(wěn)定性要求不是很高，啟動力矩小，慣性小，尺寸小，只許點位控制且功率小，終上所述，所以選用液壓驅(qū)動。 （二）手腕機構(gòu) 1.手腕的作用和動作 手腕是連接手部和手臂的部件，手腕的作用是：控制手爪的抓緊方向，以便能從任意角度抓取工件。因而它具有獨立的自由度以便機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求，手腕運動有力軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運動。繞Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動，繞Z軸轉(zhuǎn)動它稱為左右擺動。 手腕的基本運動是回轉(zhuǎn)運動和直線運動。目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的是回轉(zhuǎn)氣缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，回轉(zhuǎn)角度小于36度并且要求嚴(yán)格的密封。設(shè)計時除應(yīng)滿足啟動和傳遞過程中所需的傳動力矩外，還要求手腕的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、輕巧。另外，通過手腕氣缸的管道盡量從手臂的內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管道不扭轉(zhuǎn)、不外露、使外型整齊。而考慮到本次設(shè)計對手腕的外觀要求不高，回轉(zhuǎn)角度比較小的實際情況下，可以把氣缸管道安排在外部。 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算： （Kg·cm） ——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 ——慣性力矩 ——手腕轉(zhuǎn)動軸與支撐孔處的摩擦阻力矩 ——參與轉(zhuǎn)動的部件的重量對軸線產(chǎn)生的偏重力矩 （1）手腕加速度運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣，手腕轉(zhuǎn)動時的角度W，啟動過程的時間t。 ——手爪、手腕的轉(zhuǎn)動慣量 ——工件對轉(zhuǎn)軸中心的轉(zhuǎn)動慣量 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度變動量（可取最大值） ——變動時間1～5s （2）手腕轉(zhuǎn)動工件時工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線的偏重力矩M偏 G——手腕抓重的重量 E——工件中心到手腕回轉(zhuǎn)中心的偏心矩 （3）手腕轉(zhuǎn)動在軸頸處的摩擦阻力矩 （Kg·cm） ——軸承處的約束反力 ——軸承直徑，滑動軸承為軸頸直徑，滾動軸承為滾子中心直徑 本次設(shè)計沒有采用手腕部分，此舉僅供參考。 （三）手臂設(shè)計 1.機械手手臂應(yīng)滿足的基本要求： 力學(xué)方面要有足夠的剛度，重量要輕，運動要穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)要美觀，使用安全，維護方便，造價經(jīng)濟。 2.為滿足基本要求而采取的機構(gòu)、工藝性措施 手臂是機械手執(zhí)行機構(gòu)中的重要部件，它的作用是將被抓取的工件傳送到給定的位置和方位上，因而一般機械手臂有三個自由度，即手指伸縮、手臂的左右回轉(zhuǎn)和上下運動。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)。因此它不僅要承受被抓取工件的重量，而且要承受手指和手臂自身的重量，手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓、重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。所以必須根據(jù)機械手的抓取重量，運動形式，運動速度及定位精度的要求來設(shè)計手臂的機構(gòu)形式。 3.手臂伸縮運動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）伸縮運動驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 按手臂的結(jié)構(gòu)形式分：單臂、雙臂及懸掛式。按手臂的運動分：手臂有直線運動的，如：手臂的左右回轉(zhuǎn)，上下擺動；有復(fù)合運動，如：直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動組合，兩回轉(zhuǎn)運動組合。 a.驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式如下圖： b.驅(qū)動機構(gòu)的運動學(xué)計算 f——摩擦系數(shù) Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3P h——有效密封寬度（密封件接觸長度之和） d——活塞桿直徑 D——活塞直徑 p——工作壓力（N/mm）Map △V——速度變化值（選最大值） △t——變化時間0.1～0.5 （2）伸縮運動導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計 導(dǎo)向機構(gòu)的形式與結(jié)構(gòu)： 液壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，一增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置，它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取等重要因素加以確定；同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上，應(yīng)盡量減少運動部件上的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。 單導(dǎo)向桿： 采用單導(dǎo)向桿的結(jié)構(gòu)通常比較簡單，另外增加手臂的剛性和導(dǎo)向性，但由于要考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，否則手臂會在運動是發(fā)生轉(zhuǎn)動，造成手臂的轉(zhuǎn)位誤差，由于本次設(shè)計對手臂周向回轉(zhuǎn)有一定的要求，因此單導(dǎo)向的導(dǎo)向裝置不宜采用。 雙導(dǎo)向桿： 為了手臂受力均衡，往往采用雙導(dǎo)向桿，它可以配置在手臂伸縮的液壓缸兩側(cè)，并兼顧手部和油路的管道外形比較整齊，對伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支撐架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對機械手的外形要求比較低。因此，采用雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。為了加工方便且不影響機械手的使用要求，把導(dǎo)向桿設(shè)置為外置式。 四導(dǎo)向桿： 對抓取較大的手臂采用四導(dǎo)向桿，以加強剛性，在本次設(shè)計中，由于機械手臂的質(zhì)量中心不于幾何中心重合，易發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形，影響機械手的正常工作，考慮到傳動的平穩(wěn)性，但由于為實驗裝置且四導(dǎo)向桿質(zhì)量太大，所以不宜采用。 其他形式的導(dǎo)向裝置： 除上述幾種的導(dǎo)向裝置外，還有的機械手根據(jù)工作條件和實際可能，選用燕尾型的滑枕進行導(dǎo)向，導(dǎo)向性好，工作平穩(wěn)。此外，也采用花鍵軸，導(dǎo)向套大直徑套筒加導(dǎo)向鍵導(dǎo)向，以及帶“V”型槽的框形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)等形式的導(dǎo)向方式。在此設(shè)計中，由于要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，故均不予考慮。 （3）導(dǎo)向桿機構(gòu)動力管路設(shè)計 a.管路的類型 管路的類型可分為活動軟管、伸縮油管等。 b.管路類型的特點及說明 活動軟管的特點是：裝拆方便、維修方便、抗震性好。使用上要用管夾，占據(jù)空間尺寸大，外觀差，不安全。 伸縮油管的特點是：安全性好、外觀整齊、但工藝性差。 （4）手臂伸縮驅(qū)動力的計算 f——摩擦系數(shù) Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3P h——有效密封寬度（密封件接觸長度之和） d——活塞桿直徑 D——活塞直徑 p——工作壓力（N/mm）Map △V——速度變化值（選最大值） △t——變化時間0.1～0.5 （5）伸縮機構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)強度計算 4.手臂升降運動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式 機械手手臂的升降運動屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂的往復(fù)直線運動的機構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油缸或氣缸，活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)，絲桿螺母機構(gòu)以及活塞缸和連桿機構(gòu)。 a.液壓缸（油缸） 實現(xiàn)直線往復(fù)運動可采用液壓式或氣壓式驅(qū)動的活塞油缸，由于活塞油缸的體積小，重量輕，因而在機械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。本次設(shè)計采用活塞氣缸推動一塊能沿導(dǎo)向桿移動，此結(jié)構(gòu)簡單，受力也簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)。 b.活塞缸和齒輪齒條機構(gòu) 在手臂的升降運動中，為了使手臂移動的距離和速度有定值的增加，可以采用齒輪齒條傳動的倍增機構(gòu)，在要求工作行程大，運動速度快的沖壓機械手上常用此機械手作為手臂升降運動機構(gòu)。在本設(shè)計中不予考慮。 c.絲桿螺母機構(gòu) 絲桿螺母傳動其位移具有較高的準(zhǔn)確性，由于絲桿螺母機構(gòu)是連續(xù)的面接觸，傳動中不會產(chǎn)生沖擊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，并能自鎖，因為絲桿螺母螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動力矩，可以獲得較大的牽引力。此外，絲桿螺母的螺旋面之間的摩擦為滑動摩擦，故傳動效率低，如果采用滾珠絲桿可提高效率，而且傳動精度和定位精度均提高，在傳動時靈敏讀和平穩(wěn)性也很好，由于磨損小，使用壽命較長，但絲桿螺母的材料、熱處理和加工工藝要求很高，故成本很高。在本設(shè)計中不予考慮。 d.活塞桿和連桿機構(gòu) 由活塞桿驅(qū)動連桿機構(gòu)，使手臂實現(xiàn)升降運動，并可以獲得較大的行程。 綜上所述，本設(shè)計中選取液壓缸。 液壓缸的選用：要考慮到壓力、流量、活塞的運動速度，活塞的最大允許行程和液壓缸的總效率。 油液作用在單位面積上的壓強p=P/A 最高允許壓力，也是動態(tài)實驗壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。各國規(guī)范通常規(guī)定為≤1.5PN MPa 液壓缸的壓力等級分為：低壓，壓力范圍0～2.5MPa 中壓，壓力范圍2.5～8MPa 中高壓，壓力范圍8～16MPa 高壓，壓力范圍16～32MPa 液壓缸的流量為Q=V/t L/min 液壓缸的活塞運動速度v=Q/A m/min 液壓缸的重要部件就是缸筒，它的要求如下： 1.有足夠的強度，能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)實驗壓力而不致產(chǎn)生永久變形。 2.有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。 3.內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下，能長期工作而磨損小，尺寸公差等級和形位公差等級足以保證活塞密封件的密封性。液壓缸的密封元件材料一般選用氟碳橡膠。 液壓缸的工作介質(zhì)在常溫下一般采用石油型液壓油。在高溫下采用難燃液及特殊結(jié)構(gòu)液壓缸。 （2）升降運動驅(qū)動力的計算 f——摩擦系數(shù) Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3P h——有效密封寬度（密封件接觸長度之和） d——活塞桿直徑 D——活塞直徑 p——工作壓力（N/mm）Map △V——速度變化值（選最大值） △t——變化時間0.1～0.5 （3）手臂機構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)強度計算 W——手臂重力，下降為主動力用“-”上升為阻力用“+” 5.手臂回轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式 回轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)形式分為：葉片式擺缸直接驅(qū)動、擺缸與行星齒輪的驅(qū)動方式、齒輪齒條的驅(qū)動方式和直缸直接推動的驅(qū)動方式。 它們的優(yōu)點是：葉片式擺缸直接驅(qū)動優(yōu)點是機構(gòu)緊湊、速度調(diào)整方便；缺點是回轉(zhuǎn)角度小于360°，內(nèi)泄漏大。擺缸和行星齒輪驅(qū)動的優(yōu)點是傳動平穩(wěn)，齒輪齒條驅(qū)動的優(yōu)點是回轉(zhuǎn)角度大、驅(qū)動力大；缺點是結(jié)構(gòu)尺寸大。 （2）回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩及其回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要零部件力學(xué)計算 a. （N·M） G——手臂回轉(zhuǎn)運動件的總重量Kg g——重力加速度≈10m/s p——回轉(zhuǎn)半徑（重心到回轉(zhuǎn)軸的距離） w——起動后手臂回轉(zhuǎn)最大角速度△t=0.1～0.5s 手臂回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量為： Jc≈md/4 M——質(zhì)量 D——回轉(zhuǎn)直徑 b. f=0.1（滑動） ΣN——兩支點上反力總和 ——摩擦點到回轉(zhuǎn)中心的距離 G×p=N×H 6.手臂設(shè)計的綜合評價 從手臂的結(jié)構(gòu)形式、動力裝置、外形尺寸、工藝性、經(jīng)濟性、標(biāo)準(zhǔn)化等諸方面分析，突出重點。 從手臂的結(jié)構(gòu)形式來分可分為：手爪、手臂、手腕、立柱、行走機構(gòu)等。手臂的動力裝置為液壓驅(qū)動，它的外形尺寸不大，占地空間小，工作范圍也小。工藝性好，材料便宜，經(jīng)濟合理，零件加工方便。 （四）緩沖裝置設(shè)計 1.緩沖方式的確定 了解彈性元件緩沖；缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)緩沖；節(jié)流回路緩沖、油壓緩沖器緩沖等。 a.彈性元件緩沖： 元件：彈簧、橡膠墊、波紋管 基本原理：通過吸收動能實現(xiàn)緩沖 回轉(zhuǎn)物件： 移動物件： 彈性能： ：彈性最大工作載荷 ：最大變形 特點：結(jié)構(gòu)簡單，但緩沖行程小，定位不準(zhǔn)，職能用于輔助裝置。 b.油缸端部節(jié)流緩沖 它的原理圖如下： 它的設(shè)計要求： 緩沖腔內(nèi)油液要能吸收運動部件的全部能量；緩沖腔內(nèi)沖擊壓力小于油缸的壓力；緩沖腔內(nèi)減加速度要符合機械手對運動的要求。 設(shè)計步驟 確定減加速度：高速輕負(fù)荷小于0.9m/s 低速重負(fù)荷小于0.2m/s 計算緩沖時間：應(yīng)滿足于生產(chǎn)節(jié)拍的要求。 緩沖行程： 確定緩沖柱塞面積 ：回游腔壓力 作用在活塞上的液壓能。 ：活塞有效作用面積 G(Kg) g=9.8m/s^2 V(m/s) 緩沖前進速度 （N·M） 向上負(fù)，向下正 求緩沖油腔內(nèi)的 備件：小于[P] [P]=2×[σ]×δ/D δ：為體臂厚 [σ]=σs/5 σs：屈服極限 5：安全系數(shù) 節(jié)流口面積 F=V××10^3/u×√2gγ× c.油缸端部節(jié)流緩沖 d.氣動節(jié)流緩沖類的液壓 e.緩沖回路緩沖 f.使用液壓緩沖器 （五）定位機構(gòu)設(shè)計 1.定位方式的選擇確定 定位機構(gòu)分機械擋塊定位、行程開關(guān)定位、伺服裝置定位等。定位精度要求：要有足夠的剛度，可調(diào)節(jié)定位，定位前實施緩沖，使速度趨于零，實現(xiàn)無沖擊定位。 定位的精度為：定位精度最高為±0.02mm，一般可為±0.5mm。 （六）機械手驅(qū)動系統(tǒng)選擇 1.驅(qū)動方式的選擇 驅(qū)動方式可分為：電動、液動、氣動、機械聯(lián)動等。 2.下面是液動與氣動方式特點的比較 液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被動的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，缺點是結(jié)構(gòu)不緊湊，出力小，噪音大。適用于沖壓加工，單機自動化機械。 氣動驅(qū)動：氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動驅(qū)動相比，同體積條件下，功率較?。ü虊旱祝?，且速度不易控制。 五、機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 1.機械手的控制方式的選擇 機械手的控制方法分：數(shù)控、程控、電控、液控等。 2.本控制方式的特點 簡易工業(yè)機械手選用的控制方式為電控，它的特點是運動速度快，穩(wěn)定性好，成本底，便于維修。 六、設(shè)計總結(jié) 經(jīng)過半年多的畢業(yè)設(shè)計工作，設(shè)計期間，指導(dǎo)老師教會了我該如何設(shè)計圖紙，當(dāng)中包括元件的選用，圖紙的設(shè)計步驟。機械手中的各結(jié)構(gòu)的用處和選用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)、缺點，使我受益匪淺。 設(shè)計中，我查閱了許多資料，從中查出了許多數(shù)據(jù)，為我的圖紙設(shè)計打下了基礎(chǔ)，通過資料，讓我發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙不可以隨心所欲，必須根據(jù)國家、國際標(biāo)準(zhǔn)，否則設(shè)計的圖紙就會有錯誤。 通過這次設(shè)計，使我了解到，自動控制的對象主要是單機或某個生產(chǎn)過程；自動控制的目標(biāo)是使在系統(tǒng)控制的某個狀態(tài)下，盡量消除環(huán)境對系統(tǒng)的影響，職能控制關(guān)心的是最終狀態(tài)或現(xiàn)行狀態(tài)是否合乎要求。 此次設(shè)計中的優(yōu)點是手臂可以沿直角坐標(biāo)的X、Z方向移動，有可以繞Z軸轉(zhuǎn)動，亦手臂可以前后伸縮，上下升降和左右移動。采用此種坐標(biāo)形式工作方位較小，占地空間較小，定位精度好，應(yīng)用廣泛。在力學(xué)方面講它有足夠的剛度，重量要輕。運動要穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)要美觀，使用安全，維修方便，造價經(jīng)濟。 本次設(shè)計的機械手是模仿人手的動作，生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度，保證生產(chǎn)質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大，因此，將在機械加工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 參考文獻 1.《機械設(shè)計手冊》第三版第1～4卷 化學(xué)工業(yè)出版社 2.《機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊》第2卷 機械工業(yè)出版社 3.《畫法幾何及機械制圖》第四版 高等教育出版社 4.《液氣壓傳動》 機械工業(yè)出版社 5.《可編程控制器應(yīng)用技術(shù)》 高等教育出版社 28 設(shè)計說明書 課題：凸輪軸加工自動線機械手 班級： 數(shù)控69902 設(shè)計： 沈曉春 審核： 二00五年九月 目錄 一、目錄………………………………………………………………………………………………………2 二、前言………………………………………………………………………………………………………3 （一）機械手的用途說明…………………………………………………………………………3 （二）設(shè)計機械手的目的、意義………………………………………………………………3 （三）設(shè)計指導(dǎo)思想應(yīng)達到的技術(shù)性能要求…………………………………………4 三、設(shè)計方案論證………………………………………………………………………………………5 （一）機械手的原始依據(jù)…………………………………………………………………………5 （二）機械手的運動方案論證…………………………………………………………………6 四、機械手各組成部件設(shè)計計算………………………………………………………………8 （一）抓取機械設(shè)計…………………………………………………………………………………8 （二）手腕機構(gòu)…………………………………………………………………………………………12 （三）手臂設(shè)計…………………………………………………………………………………………14 （四）緩沖裝置設(shè)計…………………………………………………………………………………22 （五）定位機構(gòu)設(shè)計…………………………………………………………………………………25 （六）機械手驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計……………………………………………………………………25 五、機械手控制系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………………………25 六、設(shè)計總結(jié)……………………………………………………………………………………………26 七、參考文獻……………………………………………………………………………………………27 二、 前言 （一）機械手的用途說明 機械手是模仿人手工作的機械設(shè)備。實驗用機械手的設(shè)計，是指機械手臂在一定范圍內(nèi)的擺動，手臂的垂直方向的上下移動及手爪的伸縮運動組成。由啟動系統(tǒng)實現(xiàn)各運動的驅(qū)動。它的主要作用是將工件按預(yù)定的程序自動地搬運到需要的位置，或者保持工具進行工作。機械手是利用PLC控制整個系統(tǒng)實現(xiàn)各種運動的自動化控制，且能用于教學(xué)演示。 （二）機械手的目的、意義 機械手是模仿人手的動作，生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大。因此，在機械加工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 目的是，我們對機械手的設(shè)計步驟有一定的平衡了解；也能基本掌握機械設(shè)計的方法；綜合運用學(xué)過的理論知識；全面復(fù)習(xí)繪圖技巧，并較好的運用于畢業(yè)設(shè)計繪圖上。通過這次設(shè)計，使我了解到，自動控制的對象主要是單機或某個生產(chǎn)過程，智能控制則包括控制對象及整個工作環(huán)境或整個生產(chǎn)過程；自動控制的目標(biāo)是使在系統(tǒng)控制的某個狀態(tài)下，盡量消除環(huán)境對系統(tǒng)的影響，智能控制關(guān)心的使最終狀態(tài)或現(xiàn)行狀態(tài)是否合乎要求。因此，要充分考慮環(huán)境的影響；自動控制的學(xué)習(xí)來源重要是對象的狀態(tài)的反饋，所以智能控制需要一個龐大的數(shù)據(jù)庫；自動控制理論著重描述對象的數(shù)學(xué)模型，然后，通過各種控制算法進行控制，以達到目的，智能控制著重直接控制經(jīng)驗。 （三）設(shè)計的指導(dǎo)思想，應(yīng)達到的技術(shù)性能要求 結(jié)構(gòu)簡單：設(shè)計為三自由度的機械手臂，運動形式簡單，可以把手臂設(shè)計成為沿導(dǎo)向裝置運動，直接選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的液壓缸和內(nèi)脹式機械手爪，無須另行設(shè)計。 外觀不要有手臂堵塞外形：設(shè)計盡量要求安裝方便，各非標(biāo)準(zhǔn)件加工方便。因此，不必設(shè)計成套形式，管道也不必安排在手臂內(nèi)部，可以采用軟管直接連接。 本次設(shè)計的手臂不要光用于工業(yè)生產(chǎn)，因此，對各部件的加工精度及安裝要求不高，可以在通用機床上加工完成。 三、設(shè)計方案論證 （一）機械手設(shè)計的原始數(shù)據(jù) 1.組成結(jié)構(gòu) 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)以及位置檢測等裝置組成。各系統(tǒng)的關(guān)系如圖： 控制系統(tǒng) → 驅(qū)動系統(tǒng) → 執(zhí)行系統(tǒng) → 抓取工件 ‖ —— 位置檢測 —— ‖ 2.執(zhí)行機構(gòu) 包括手臂、手腕、手部和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。 （1） 手部：即與物體接觸的部件，由物體接觸的形式又可分為夾持式和吸附式手部。 （2） 手腕：是連接手腕和手臂的比肩，起改變工件的空間位置的作用。 （3） 手臂：支撐手腕和手臂的部件以改變工件的空間位置。 （4） 立柱：支撐手臂的部件，手臂的各部分運動均與立柱有密切的關(guān)系。 （5） 行走機構(gòu)：為完成遠距離的操作和擴大使用范圍，可增設(shè)滾輪行走機構(gòu)。 （6） 機座：它是機械手的基礎(chǔ)部件，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部分和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝在機座上，起支撐和聯(lián)結(jié)作用。 3.驅(qū)動機構(gòu) 機械手臂的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的出動裝置，常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動。 4.控制系統(tǒng) 有電力控制和射流控制兩種，一般常見的為電力控制，這是機械手的重要組成部分，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息，同時按其控制系統(tǒng)的信息，對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時，對機械手的動作進行控制，當(dāng)動作有錯誤時，發(fā)出警報信號。 5.位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機械的運動位置并隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置比較，然后控制系統(tǒng)進行調(diào)整，從而使執(zhí)行機構(gòu)一定的精度達到預(yù)定位置。 （二）機械手的運動方案論證 1.機械手的運動形式（坐標(biāo)形式）確定 按機械手的運動坐標(biāo)型可分：直角坐標(biāo)系式機械手、圓柱坐標(biāo)系式機械手、極坐標(biāo)式機械手、關(guān)節(jié)式機械手。 直角坐標(biāo)式機械手：臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個方向移動，亦臂部可以前后伸縮，左右移動，上下升降。采用此種坐標(biāo)形工作范圍小，占地空間大，定位精度好，應(yīng)用較多，適用于空間布置或與自動線配合。 極坐標(biāo)式機械手：手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X方向運動，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，亦手臂可前后伸縮，上下擺動，左右移動。采用此種坐標(biāo)形式工作范圍大，占地空間小，定位精度差，應(yīng)用少。 關(guān)節(jié)式機械手：這種機械手的臂部可分為大臂和小臂，其中大臂和小臂的連接以及大臂和機體的連接均為關(guān)節(jié)式連接，亦小臂對大臂可繞肘部上下擺動一定角度，大臂可繞肩部擺動一定角度，手臂可以左右轉(zhuǎn)動一定角度。采用此種坐標(biāo)形式工作范圍大，占地空間小，定位精度差，應(yīng)用較小。 圓柱坐標(biāo)戲式機械手：這種機械手的運動由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組合而成，手臂沿X、Z方向的移動，還有手臂的水平回轉(zhuǎn)。此種機械手工作范圍教大，靈活程度教高，占地面積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，定位進度高，應(yīng)用比較廣泛，多為通用型。 因此本次設(shè)計我選用直角坐標(biāo)系機械手。 機械手方案簡圖如下： 運動符號： 四、機械手各組成部件設(shè)計計算 （一）抓取機械設(shè)計 1.抓取機械機構(gòu)的基本要求 要有足夠的夾緊力，在確定手指的握力時，除考慮工件的重量外還應(yīng)考慮在傳送或操作中所產(chǎn)生的慣性和震動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落；要有足夠的開合度，手指的開合度應(yīng)保證工件能順利的進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮；要保證工件在手爪中的準(zhǔn)確位置，為使手指和被夾持的工件的反作用力外，還受到機械手在運動中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響要求是有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。保證結(jié)構(gòu)緊湊，重量要輕，便于更換；應(yīng)考慮手指的多用性，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求可制成組合式手指。 手爪的類型可分成指爪式和吸盤式；手爪式又分外夾式和內(nèi)脹式。 手爪：即與物體接觸的部分，由于與物體接觸的形式分為夾持式和吸附式手部。鉗式手部結(jié)構(gòu)由手指傳力。機構(gòu)所組成其傳力形式比較多，如滑槽杠桿式、連杠桿式、斜契杠桿式、彈簧杠桿式等結(jié)構(gòu)形式；按手指夾持工件的部分又可以分為內(nèi)卡式和外卡式；模仿人手指的動作，手指可以分為一支點回轉(zhuǎn)型、二支點回轉(zhuǎn)型和移動型，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為例，而二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成一支點回轉(zhuǎn)型手指。同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變?yōu)闊o窮長時，就變?yōu)橐苿有??；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛，移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，但移動型手指夾持變化的零件時不影響其軸心的位置，其使用于不同直徑的工件。 手爪的定位誤差分析如圖所示： β為偏轉(zhuǎn)角，當(dāng)滿足上式β角時，△誤差最小。 2.手爪夾緊力的計算 本次設(shè)計中采用外夾式手爪，如下圖所示： 手爪夾緊力的計算： 作用在單個手指上的作用力1.732G/F根據(jù)抓重大小來安排裝配手指的方法。 計算式： G——抓重 Kg ——夾緊方位系數(shù) ——慣性力影響系數(shù) ——安全系數(shù)取1.5～2 a——加速度（工件隨手爪運動時產(chǎn)生） g——重力加速度 取10m/s^2 平鉗口 水平位置放，水平位置夾時 V鉗口 水平位置放，水平位置夾時 平鉗口 垂直放，水平夾時 水平放，垂直位置夾時 V鉗口 水平放，垂直位置夾時 平鉗口 垂直夾，垂直放時 水平位置夾懸臂工件 3.手爪的驅(qū)動裝置的選擇與驅(qū)動力計算 目前機械手常用的驅(qū)動方式如前所述，也有其他特殊的驅(qū)動方式，如：步進電機驅(qū)動、直線電機驅(qū)動，但應(yīng)用不多。所有方式中，最常用的為液壓、氣動驅(qū)動方式，下面僅對這兩種方式進行比較選擇。 液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被動的桿件相連，，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，目前多用于機器人系統(tǒng)。 氣壓驅(qū)動：氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動相比，同體積條件下，功率較?。ü虊旱祝?，且速度不易控制。 由于該裝置的實驗?zāi)Ｐ?，環(huán)境要求無污染，材料經(jīng)費相對短缺，精度和穩(wěn)定性要求不是很高，啟動力矩小，慣性小，尺寸小，只許點位控制且功率小，終上所述，所以選用液壓驅(qū)動。 （二）手腕機構(gòu) 1.手腕的作用和動作 手腕是連接手部和手臂的部件，手腕的作用是：控制手爪的抓緊方向，以便能從任意角度抓取工件。因而它具有獨立的自由度以便機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求，手腕運動有力軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運動。繞Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動，繞Z軸轉(zhuǎn)動它稱為左右擺動。 手腕的基本運動是回轉(zhuǎn)運動和直線運動。目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的是回轉(zhuǎn)氣缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，回轉(zhuǎn)角度小于36度并且要求嚴(yán)格的密封。設(shè)計時除應(yīng)滿足啟動和傳遞過程中所需的傳動力矩外，還要求手腕的結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、輕巧。另外，通過手腕氣缸的管道盡量從手臂的內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管道不扭轉(zhuǎn)、不外露、使外型整齊。而考慮到本次設(shè)計對手腕的外觀要求不高，回轉(zhuǎn)角度比較小的實際情況下，可以把氣缸管道安排在外部。 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算： （Kg·cm） ——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 ——慣性力矩 ——手腕轉(zhuǎn)動軸與支撐孔處的摩擦阻力矩 ——參與轉(zhuǎn)動的部件的重量對軸線產(chǎn)生的偏重力矩 （1）手腕加速度運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣，手腕轉(zhuǎn)動時的角度W，啟動過程的時間t。 ——手爪、手腕的轉(zhuǎn)動慣量 ——工件對轉(zhuǎn)軸中心的轉(zhuǎn)動慣量 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度變動量（可取最大值） ——變動時間1～5s （2）手腕轉(zhuǎn)動工件時工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線的偏重力矩M偏 G——手腕抓重的重量 E——工件中心到手腕回轉(zhuǎn)中心的偏心矩 （3）手腕轉(zhuǎn)動在軸頸處的摩擦阻力矩 （Kg·cm） ——軸承處的約束反力 ——軸承直徑，滑動軸承為軸頸直徑，滾動軸承為滾子中心直徑 本次設(shè)計沒有采用手腕部分，此舉僅供參考。 （三）手臂設(shè)計 1.機械手手臂應(yīng)滿足的基本要求： 力學(xué)方面要有足夠的剛度，重量要輕，運動要穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)要美觀，使用安全，維護方便，造價經(jīng)濟。 2.為滿足基本要求而采取的機構(gòu)、工藝性措施 手臂是機械手執(zhí)行機構(gòu)中的重要部件，它的作用是將被抓取的工件傳送到給定的位置和方位上，因而一般機械手臂有三個自由度，即手指伸縮、手臂的左右回轉(zhuǎn)和上下運動。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)。因此它不僅要承受被抓取工件的重量，而且要承受手指和手臂自身的重量，手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓、重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。所以必須根據(jù)機械手的抓取重量，運動形式，運動速度及定位精度的要求來設(shè)計手臂的機構(gòu)形式。 3.手臂伸縮運動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）伸縮運動驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 按手臂的結(jié)構(gòu)形式分：單臂、雙臂及懸掛式。按手臂的運動分：手臂有直線運動的，如：手臂的左右回轉(zhuǎn)，上下擺動；有復(fù)合運動，如：直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動組合，兩回轉(zhuǎn)運動組合。 a.驅(qū)動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式如下圖： b.驅(qū)動機構(gòu)的運動學(xué)計算 f——摩擦系數(shù) Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3P h——有效密封寬度（密封件接觸長度之和） d——活塞桿直徑 D——活塞直徑 p——工作壓力（N/mm）Map △V——速度變化值（選最大值） △t——變化時間0.1～0.5 （2）伸縮運動導(dǎo)向機構(gòu)設(shè)計 導(dǎo)向機構(gòu)的形式與結(jié)構(gòu)： 液壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，一增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置，它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取等重要因素加以確定；同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上，應(yīng)盡量減少運動部件上的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。 單導(dǎo)向桿： 采用單導(dǎo)向桿的結(jié)構(gòu)通常比較簡單，另外增加手臂的剛性和導(dǎo)向性，但由于要考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，否則手臂會在運動是發(fā)生轉(zhuǎn)動，造成手臂的轉(zhuǎn)位誤差，由于本次設(shè)計對手臂周向回轉(zhuǎn)有一定的要求，因此單導(dǎo)向的導(dǎo)向裝置不宜采用。 雙導(dǎo)向桿： 為了手臂受力均衡，往往采用雙導(dǎo)向桿，它可以配置在手臂伸縮的液壓缸兩側(cè)，并兼顧手部和油路的管道外形比較整齊，對伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支撐架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。在本次結(jié)構(gòu)設(shè)計中，對機械手的外形要求比較低。因此，采用雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)。為了加工方便且不影響機械手的使用要求，把導(dǎo)向桿設(shè)置為外置式。 四導(dǎo)向桿： 對抓取較大的手臂采用四導(dǎo)向桿，以加強剛性，在本次設(shè)計中，由于機械手臂的質(zhì)量中心不于幾何中心重合，易發(fā)生翻轉(zhuǎn)變形，影響機械手的正常工作，考慮到傳動的平穩(wěn)性，但由于為實驗裝置且四導(dǎo)向桿質(zhì)量太大，所以不宜采用。 其他形式的導(dǎo)向裝置： 除上述幾種的導(dǎo)向裝置外，還有的機械手根據(jù)工作條件和實際可能，選用燕尾型的滑枕進行導(dǎo)向，導(dǎo)向性好，工作平穩(wěn)。此外，也采用花鍵軸，導(dǎo)向套大直徑套筒加導(dǎo)向鍵導(dǎo)向，以及帶“V”型槽的框形導(dǎo)向結(jié)構(gòu)等形式的導(dǎo)向方式。在此設(shè)計中，由于要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，故均不予考慮。 （3）導(dǎo)向桿機構(gòu)動力管路設(shè)計 a.管路的類型 管路的類型可分為活動軟管、伸縮油管等。 b.管路類型的特點及說明 活動軟管的特點是：裝拆方便、維修方便、抗震性好。使用上要用管夾，占據(jù)空間尺寸大，外觀差，不安全。 伸縮油管的特點是：安全性好、外觀整齊、但工藝性差。 （4）手臂伸縮驅(qū)動力的計算 f——摩擦系數(shù) Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3P h——有效密封寬度（密封件接觸長度之和） d——活塞桿直徑 D——活塞直徑 p——工作壓力（N/mm）Map △V——速度變化值（選最大值） △t——變化時間0.1～0.5 （5）伸縮機構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)強度計算 4.手臂升降運動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）升降機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式 機械手手臂的升降運動屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂的往復(fù)直線運動的機構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油缸或氣缸，活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)，絲桿螺母機構(gòu)以及活塞缸和連桿機構(gòu)。 a.液壓缸（油缸） 實現(xiàn)直線往復(fù)運動可采用液壓式或氣壓式驅(qū)動的活塞油缸，由于活塞油缸的體積小，重量輕，因而在機械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。本次設(shè)計采用活塞氣缸推動一塊能沿導(dǎo)向桿移動，此結(jié)構(gòu)簡單，受力也簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)。 b.活塞缸和齒輪齒條機構(gòu) 在手臂的升降運動中，為了使手臂移動的距離和速度有定值的增加，可以采用齒輪齒條傳動的倍增機構(gòu)，在要求工作行程大，運動速度快的沖壓機械手上常用此機械手作為手臂升降運動機構(gòu)。在本設(shè)計中不予考慮。 c.絲桿螺母機構(gòu) 絲桿螺母傳動其位移具有較高的準(zhǔn)確性，由于絲桿螺母機構(gòu)是連續(xù)的面接觸，傳動中不會產(chǎn)生沖擊，傳動平穩(wěn)，無噪聲，并能自鎖，因為絲桿螺母螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動力矩，可以獲得較大的牽引力。此外，絲桿螺母的螺旋面之間的摩擦為滑動摩擦，故傳動效率低，如果采用滾珠絲桿可提高效率，而且傳動精度和定位精度均提高，在傳動時靈敏讀和平穩(wěn)性也很好，由于磨損小，使用壽命較長，但絲桿螺母的材料、熱處理和加工工藝要求很高，故成本很高。在本設(shè)計中不予考慮。 d.活塞桿和連桿機構(gòu) 由活塞桿驅(qū)動連桿機構(gòu)，使手臂實現(xiàn)升降運動，并可以獲得較大的行程。 綜上所述，本設(shè)計中選取液壓缸。 液壓缸的選用：要考慮到壓力、流量、活塞的運動速度，活塞的最大允許行程和液壓缸的總效率。 油液作用在單位面積上的壓強p=P/A 最高允許壓力，也是動態(tài)實驗壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。各國規(guī)范通常規(guī)定為≤1.5PN MPa 液壓缸的壓力等級分為：低壓，壓力范圍0～2.5MPa 中壓，壓力范圍2.5～8MPa 中高壓，壓力范圍8～16MPa 高壓，壓力范圍16～32MPa 液壓缸的流量為Q=V/t L/min 液壓缸的活塞運動速度v=Q/A m/min 液壓缸的重要部件就是缸筒，它的要求如下： 1.有足夠的強度，能長期承受最高工作壓力及短期動態(tài)實驗壓力而不致產(chǎn)生永久變形。 2.有足夠的剛度，能承受活塞側(cè)向力和安裝的反作用力而不致產(chǎn)生彎曲。 3.內(nèi)表面與活塞密封件及導(dǎo)向環(huán)的摩擦力作用下，能長期工作而磨損小，尺寸公差等級和形位公差等級足以保證活塞密封件的密封性。液壓缸的密封元件材料一般選用氟碳橡膠。 液壓缸的工作介質(zhì)在常溫下一般采用石油型液壓油。在高溫下采用難燃液及特殊結(jié)構(gòu)液壓缸。 （2）升降運動驅(qū)動力的計算 f——摩擦系數(shù) Y型密封f=0.1 K=0.3 V型密封f=1 K=1.6 O型密封=0.3P h——有效密封寬度（密封件接觸長度之和） d——活塞桿直徑 D——活塞直徑 p——工作壓力（N/mm）Map △V——速度變化值（選最大值） △t——變化時間0.1～0.5 （3）手臂機構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)強度計算 W——手臂重力，下降為主動力用“-”上升為阻力用“+” 5.手臂回轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （1）回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式 回轉(zhuǎn)運動的結(jié)構(gòu)形式分為：葉片式擺缸直接驅(qū)動、擺缸與行星齒輪的驅(qū)動方式、齒輪齒條的驅(qū)動方式和直缸直接推動的驅(qū)動方式。 它們的優(yōu)點是：葉片式擺缸直接驅(qū)動優(yōu)點是機構(gòu)緊湊、速度調(diào)整方便；缺點是回轉(zhuǎn)角度小于360°，內(nèi)泄漏大。擺缸和行星齒輪驅(qū)動的優(yōu)點是傳動平穩(wěn)，齒輪齒條驅(qū)動的優(yōu)點是回轉(zhuǎn)角度大、驅(qū)動力大；缺點是結(jié)構(gòu)尺寸大。 （2）回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩及其回轉(zhuǎn)機構(gòu)主要零部件力學(xué)計算 a. （N·M） G——手臂回轉(zhuǎn)運動件的總重量Kg g——重力加速度≈10m/s p——回轉(zhuǎn)半徑（重心到回轉(zhuǎn)軸的距離） w——起動后手臂回轉(zhuǎn)最大角速度△t=0.1～0.5s 手臂回轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動慣量為： Jc≈md/4 M——質(zhì)量 D——回轉(zhuǎn)直徑 b. f=0.1（滑動） ΣN——兩支點上反力總和 ——摩擦點到回轉(zhuǎn)中心的距離 G×p=N×H 6.手臂設(shè)計的綜合評價 從手臂的結(jié)構(gòu)形式、動力裝置、外形尺寸、工藝性、經(jīng)濟性、標(biāo)準(zhǔn)化等諸方面分析，突出重點。 從手臂的結(jié)構(gòu)形式來分可分為：手爪、手臂、手腕、立柱、行走機構(gòu)等。手臂的動力裝置為液壓驅(qū)動，它的外形尺寸不大，占地空間小，工作范圍也小。工藝性好，材料便宜，經(jīng)濟合理，零件加工方便。 （四）緩沖裝置設(shè)計 1.緩沖方式的確定 了解彈性元件緩沖；缸體內(nèi)部結(jié)構(gòu)緩沖；節(jié)流回路緩沖、油壓緩沖器緩沖等。 a.彈性元件緩沖： 元件：彈簧、橡膠墊、波紋管 基本原理：通過吸收動能實現(xiàn)緩沖 回轉(zhuǎn)物件： 移動物件： 彈性能： ：彈性最大工作載荷 ：最大變形 特點：結(jié)構(gòu)簡單，但緩沖行程小，定位不準(zhǔn)，職能用于輔助裝置。 b.油缸端部節(jié)流緩沖 它的原理圖如下： 它的設(shè)計要求： 緩沖腔內(nèi)油液要能吸收運動部件的全部能量；緩沖腔內(nèi)沖擊壓力小于油缸的壓力；緩沖腔內(nèi)減加速度要符合機械手對運動的要求。 設(shè)計步驟 確定減加速度：高速輕負(fù)荷小于0.9m/s 低速重負(fù)荷小于0.2m/s 計算緩沖時間：應(yīng)滿足于生產(chǎn)節(jié)拍的要求。 緩沖行程： 確定緩沖柱塞面積 ：回游腔壓力 作用在活塞上的液壓能。 ：活塞有效作用面積 G(Kg) g=9.8m/s^2 V(m/s) 緩沖前進速度 （N·M） 向上負(fù)，向下正 求緩沖油腔內(nèi)的 備件：小于[P] [P]=2×[σ]×δ/D δ：為體臂厚 [σ]=σs/5 σs：屈服極限 5：安全系數(shù) 節(jié)流口面積 F=V××10^3/u×√2gγ× c.油缸端部節(jié)流緩沖 d.氣動節(jié)流緩沖類的液壓 e.緩沖回路緩沖 f.使用液壓緩沖器 （五）定位機構(gòu)設(shè)計 1.定位方式的選擇確定 定位機構(gòu)分機械擋塊定位、行程開關(guān)定位、伺服裝置定位等。定位精度要求：要有足夠的剛度，可調(diào)節(jié)定位，定位前實施緩沖，使速度趨于零，實現(xiàn)無沖擊定位。 定位的精度為：定位精度最高為±0.02mm，一般可為±0.5mm。 （六）機械手驅(qū)動系統(tǒng)選擇 1.驅(qū)動方式的選擇 驅(qū)動方式可分為：電動、液動、氣動、機械聯(lián)動等。 2.下面是液動與氣動方式特點的比較 液壓驅(qū)動：液壓驅(qū)動的主要優(yōu)點是功率大，結(jié)構(gòu)簡單，可省去減速裝置，能直接與被動的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動具有較高的精度，缺點是結(jié)構(gòu)不緊湊，出力小，噪音大。適用于沖壓加工，單機自動化機械。 氣動驅(qū)動：氣壓驅(qū)動的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡單，但與液壓驅(qū)動驅(qū)動相比，同體積條件下，功率較?。ü虊旱祝?，且速度不易控制。 五、機械手控制系統(tǒng)設(shè)計 1.機械手的控制方式的選擇 機械手的控制方法分：數(shù)控、程控、電控、液控等。 2.本控制方式的特點 簡易工業(yè)機械手選用的控制方式為電控，它的特點是運動速度快，穩(wěn)定性好，成本底，便于維修。 六、設(shè)計總結(jié) 經(jīng)過半年多的畢業(yè)設(shè)計工作，設(shè)計期間，指導(dǎo)老師教會了我該如何設(shè)計圖紙，當(dāng)中包括元件的選用，圖紙的設(shè)計步驟。機械手中的各結(jié)構(gòu)的用處和選用此結(jié)構(gòu)的優(yōu)、缺點，使我受益匪淺。 設(shè)計中，我查閱了許多資料，從中查出了許多數(shù)據(jù)，為我的圖紙設(shè)計打下了基礎(chǔ)，通過資料，讓我發(fā)現(xiàn)設(shè)計圖紙不可以隨心所欲，必須根據(jù)國家、國際標(biāo)準(zhǔn)，否則設(shè)計的圖紙就會有錯誤。 通過這次設(shè)計，使我了解到，自動控制的對象主要是單機或某個生產(chǎn)過程；自動控制的目標(biāo)是使在系統(tǒng)控制的某個狀態(tài)下，盡量消除環(huán)境對系統(tǒng)的影響，職能控制關(guān)心的是最終狀態(tài)或現(xiàn)行狀態(tài)是否合乎要求。 此次設(shè)計中的優(yōu)點是手臂可以沿直角坐標(biāo)的X、Z方向移動，有可以繞Z軸轉(zhuǎn)動，亦手臂可以前后伸縮，上下升降和左右移動。采用此種坐標(biāo)形式工作方位較小，占地空間較小，定位精度好，應(yīng)用廣泛。在力學(xué)方面講它有足夠的剛度，重量要輕。運動要穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)要美觀，使用安全，維修方便，造價經(jīng)濟。 本次設(shè)計的機械手是模仿人手的動作，生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高自動化水平和勞動生產(chǎn)率，可以減輕勞動強度，保證生產(chǎn)質(zhì)量，實現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大，因此，將在機械加工中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 參考文獻 1.《機械設(shè)計手冊》第三版第1～4卷 化學(xué)工業(yè)出版社 2.《機械設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊》第2卷 機械工業(yè)出版社 3.《畫法幾何及機械制圖》第四版 高等教育出版社 4.《液氣壓傳動》 機械工業(yè)出版社 5.《可編程控制器應(yīng)用技術(shù)》 高等教育出版社 28