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In this paper, the structure design and kinematics analysis of the upper and lower materials are described. First, through the full range of research status of mechanical hand, based on the proposed scheme of mechanical hands; then, design and calculation of the size of the structure of the major components; then, the hydraulic system design. Finally, through the AutoCAD software to draw the upper and lower material manipulator assembly drawing and the main parts of the map. Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance. Key words: Up and down material, Manipulator, Hydraulic cylinder, Kinematics 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1背景及意義 1 1.2機(jī)械手概述 2 1.2.1機(jī)械手的組成 2 1.2.2機(jī)械手的分類 2 1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 第2章 總體方案設(shè)計 4 2.1 設(shè)計要求 4 2.1.1 動作要求 4 2.1.2參數(shù)要求 4 2.2方案擬定 4 2.2.1初步分析 4 2.2.2 擬定方案 4 第3章 機(jī)械手手部設(shè)計 6 3.1手部分析 6 3.2夾緊力及驅(qū)動力的計算 7 3.3 夾緊油缸的設(shè)計 8 3.4手抓的設(shè)計 8 第4章 機(jī)械手臂部設(shè)計 11 4.1臂部整體設(shè)計 11 4.2手臂伸縮驅(qū)動力計算 12 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計算 12 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 13 4.2.3手臂慣性力的計算 13 4.3手臂伸縮油缸的設(shè)計 14 4.3.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 14 4.3.2液壓缸外徑的設(shè)計 15 4.3.3活塞桿的計算校核 15 4.3.4 油缸端蓋的設(shè)計 16 第5章 機(jī)械手機(jī)身設(shè)計 18 5.1 機(jī)身的整體設(shè)計 18 5.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計 18 5.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 18 5.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 19 5.3機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計 21 5.3.1手臂片重力矩的計算 21 5.3.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 22 5.3.3升降油缸驅(qū)動力的計算 22 5.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 23 第6章 機(jī)械手液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計 25 6.1機(jī)械手運動學(xué)分析 25 6.1.1手部夾緊機(jī)構(gòu) 25 6.1.2 臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 25 6.1.3 臂部伸縮機(jī)構(gòu) 26 6.1.4臂部升降機(jī)構(gòu) 27 6.2液壓系統(tǒng)方案擬定 28 6.2.1調(diào)速回路方案分析 28 6.2.2 快進(jìn)回路方案分析 30 6.2.3夾緊回路的選擇 31 6.3液壓元件的計算和選擇 32 6.3.1液壓泵 32 6.3.2確定油箱容量 33 6.3.3液壓元件的選擇 33 6.4液壓系統(tǒng)性能驗算 33 6.4.1驗算回路中的壓力損失 33 6.4.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算 35 總 結(jié) 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 41 第1章 緒論 1.1背景及意義 目前，由于成本問題和勞動力技能、牽引機(jī)、卸料都用手動，不僅效率低，精度低，工作強(qiáng)度，存在安全風(fēng)險操作員生產(chǎn)機(jī)生產(chǎn)牽引，以避免安全事故操作者牽引機(jī)，增加保護(hù)措施，例如增加光電保護(hù)裝置等；但這并不能從根本上防止安全，而設(shè)計的機(jī)械手的替代材料曼聯(lián)EL操作變得非常重要。這個設(shè)計是必要的，根據(jù)應(yīng)用本工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的機(jī)械手，運動學(xué)分析。 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種自動高科技生產(chǎn)。工業(yè)機(jī)械手在我國是80年代以來“七五”科技開始，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科學(xué)和技術(shù)，掌握了機(jī)械手操作機(jī)制造技術(shù)，控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)，運動學(xué)和軌跡規(guī)劃，機(jī)器人的部分關(guān)鍵元器件生產(chǎn)、開發(fā)、涂裝、焊接電弧焊接、組裝、運輸?shù)?，機(jī)器人，其中130多個機(jī)器人繪畫在20多個企業(yè)近30條自動噴涂生產(chǎn)線（站）的訪問規(guī)則的弧焊機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用于模具、焊接線的汽車廠。但總的來說，應(yīng)用機(jī)械手工業(yè)的發(fā)展和我國工程外，水平和一定的距離。 一些機(jī)械工業(yè)世界的手，如果每年都在增加，但市場是一個發(fā)展的浪潮。在新世紀(jì)的曙光的人尋求更舒適的工作條件，工作環(huán)境的危險，需要機(jī)器人代替人工機(jī)器人應(yīng)用的深化。工業(yè)機(jī)械手和滲透性，在汽車工業(yè)中的應(yīng)用不斷開辟新的機(jī)械手。也是第一液壓控制，改變了人工智能，隨著科學(xué)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，它將PL美國更完美。 節(jié)奏不斷加快生產(chǎn)和人們的生活，人們對生產(chǎn)效率的不斷提出新的要求。由于微電子技術(shù)和計算，快速發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的軟硬件技術(shù)的不斷提高，使快速發(fā)展技術(shù)的液壓機(jī)械手，機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)源是簡單，無環(huán)境污染，部件成本低、維護(hù)方便和安全系統(tǒng)等，已滲透到各個行業(yè)，在行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用在保證液壓機(jī)械手的發(fā)展。本文介紹了一種氣動機(jī)械手，一個旋轉(zhuǎn)軸螺旋機(jī)構(gòu)、XY集團(tuán)的一部分，旋轉(zhuǎn)機(jī)械基礎(chǔ)等。主要作用是完成運輸機(jī)械部件，可以放置在不同的生產(chǎn)線或物流管道，使工件的運輸，貨物運輸更快捷方便。隨著工業(yè)自動化水平的提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。部分運動的機(jī)械臂可以模擬，根據(jù)預(yù)定的計劃，路徑和其他要求，實現(xiàn)實施握和運輸工具或操作機(jī)械手。體力勞動可以取代許多重復(fù)性，從而降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。 1.2機(jī)械手概述 機(jī)械手又稱一些手部動作的自動功能可以模仿的手和手臂，為了掌握按固定程序，自動執(zhí)行裝置的處理或操作可以代替繁重的工作，以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)機(jī)械，可在危險的環(huán)境下工作，安全保護(hù)一個人，可廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等發(fā)展的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，機(jī)械化和自動化液壓技術(shù)本身，液壓機(jī)械手已被廣泛應(yīng)用于各行業(yè)的自動化生產(chǎn)。 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由手，一個機(jī)構(gòu)系統(tǒng)和運動控制三部分。用手抓住一塊（或工具）的部件，根據(jù)對象的手柄形狀、大小、重量、形狀和多個結(jié)構(gòu)材料和勞動力的需求，例如，鉗型、型和吸附載體等。運動機(jī)構(gòu)，使旋轉(zhuǎn)手（擺動），以實現(xiàn)各種移動或復(fù)合運動實現(xiàn)定義的運動，改變位置和姿勢捕獲的對象的維護(hù)。伸縮升降機(jī)構(gòu)、運動、旋轉(zhuǎn)運動獨立的方式，稱為機(jī)械手度的對象的位置和方向在空間任意掌握，需要六度自由度是關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)對機(jī)械手的自由度的機(jī)器人更靈活，通用性越來越大，更廣泛的，其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。一般的機(jī)械手具有特殊的2到3個自由度。 1.2.2機(jī)械手的分類 類型的機(jī)械手驅(qū)動方式可分為液壓式，液壓式機(jī)械，電氣，機(jī)械手；根據(jù)應(yīng)用范圍可分為機(jī)械手的通用機(jī)械手和兩種；按軌跡運動控制可以分為一個控制點，連續(xù)軌跡跟蹤控制機(jī)器人。機(jī)器人一般分為三類：第一類是通用機(jī)械手不需要操作是一個獨立的裝置非附屬可以根據(jù)需要完成的任務(wù)調(diào)度操作的規(guī)定。這是力學(xué)性能與普通，而且一般機(jī)械能力，智能機(jī)械記憶的三個成分。第二類是手工做的機(jī)器前，被稱為起源于原子，軍事工業(yè)，先用機(jī)器操作完成具體的開發(fā)工作，然后使用無線電信號操作機(jī)的探針，以及鍛造操作機(jī)中使用的，也屬于這一三類是專用機(jī)械手，主要是固定在自動機(jī)床或自動線，供電問題的機(jī)床和工件的機(jī)械手。它在國外稱為“機(jī)械手”，這是為主機(jī)服務(wù)的，通過控制主機(jī)，除了一些其他的工作計劃通常是固定的，它是其他國家，目前主要是使通用機(jī)械手，第一類外，作為一個機(jī)器人。 1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)械手首先是從美國1958年美國研制了第一手的共同控制。其結(jié)構(gòu)體上安裝一個旋轉(zhuǎn)臂頂部安裝工件，電磁塊夾持和釋放機(jī)制控制系統(tǒng)的教學(xué)形式。 1962年，美國社會的基礎(chǔ)上共同控制方案和試驗在數(shù)控機(jī)床中的閱讀教學(xué)型機(jī)械手的名稱（即德爾通用自動建模系統(tǒng)）。在炮塔和臂可伸縮，旋轉(zhuǎn)，俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)與鼓作為存儲設(shè)備。很多球坐標(biāo)機(jī)械手的總體發(fā)展是同年，社會融合和普魯伯曼萬能自動有限公司，專業(yè)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年，美國機(jī)械制造有限公司的成功經(jīng)驗機(jī)械手的中心支柱。該機(jī)械手可以旋轉(zhuǎn)，通過控制系統(tǒng)驅(qū)動液壓提升教學(xué)，這兩種類型的機(jī)器人出現(xiàn)在60年代初，但是發(fā)展的基礎(chǔ)工業(yè)機(jī)器人在國外。 美國斯坦福大學(xué)德爾，1978年，麻省理工大學(xué)合作開發(fā)工業(yè)機(jī)械手式德爾配備了微型計算機(jī)控制的裝配操作，定位誤差小于±1mm。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(yè)自1970年以來應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運輸設(shè)備，焊接電源等操作。 德意志聯(lián)邦共和國也產(chǎn)生點焊機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)和程序日本是工業(yè)機(jī)械手的最快速、大量的國家1969年，從美國引進(jìn)兩個機(jī)械手大力從事前蘇聯(lián)在20世紀(jì)60年代以來，應(yīng)用和發(fā)展的機(jī)械手，在1977年年底，其中一半是國產(chǎn)、進(jìn)口額的一半。 目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要取決于工人的控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本、提高二代機(jī)械手是加強(qiáng)配備了微型電子計算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺和觸覺的能力；雖然聽的能力，。安裝各種傳感器，方向信息反饋，機(jī)器人具有感覺功能。第三代機(jī)械手指能夠完成任務(wù)的過程中。電子裝置及其你的電視和保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展的一個重要組成部分，F(xiàn)MC單元柔性和柔性制造系統(tǒng)。 機(jī)械手一般應(yīng)用大多數(shù)國家機(jī)械工業(yè)機(jī)械手，固定裝置，其工作程序是fixé.un通用機(jī)械手也開發(fā)，應(yīng)用電流開關(guān)型位置控制，伺服生產(chǎn)單位的數(shù)量在調(diào)試控制軌跡的連續(xù)型，沒有固定觸點控制方式的控制程序的大多數(shù)，專用機(jī)械手的控制。 第2章 總體方案設(shè)計 2.1 設(shè)計要求 2.1.1 動作要求 機(jī)械設(shè)計要求手能夠處理工件之間的多臺機(jī)器和設(shè)備的加載和工件抓起，手臂抬起離開定位裝置縮回，水平旋轉(zhuǎn)90度，手把工件。 2.1.2參數(shù)要求 本次設(shè)計選定參數(shù)如下： （1）伸縮行程：800mm，伸縮速度，250mm/s； （2）升降行程：330mm，升降速度，60mm/s； （3）回轉(zhuǎn)范圍：210°，回轉(zhuǎn)速度，70°/s； （4）參考抓取重量：15kg。 2.2方案擬定 2.2.1初步分析 掌握體重15kg，根據(jù)分類，工業(yè)機(jī)械手的平均分，利用通用機(jī)械手，其特征是可變的和獨立的程序控制系統(tǒng)，運動靈活，經(jīng)營范圍主要通用機(jī)械手，定位精度高，通用性強(qiáng)；生產(chǎn)少量適當(dāng)?shù)淖詣踊B續(xù)生產(chǎn)加工圓柱坐標(biāo)型比較的直角坐標(biāo)機(jī)械手，機(jī)械手，占地面積小，活動面積大，結(jié)構(gòu)相對簡單，可近紅外高精度的位置，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 2.2.2 擬定方案 (1)由初始參數(shù)擬定整體設(shè)計方案 通用機(jī)械手是3~6個自由度，而本次設(shè)計為3由度圓柱坐標(biāo)機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1： 圖2-1 結(jié)構(gòu)簡圖 (2)整體結(jié)構(gòu) 通過本設(shè)計要求完成吊臂的伸縮、旋轉(zhuǎn)和三個運動。你可以考慮下升降旋轉(zhuǎn)筒或在兩個體驗決定采用千斤頂?shù)男问健? 第3章 機(jī)械手手部設(shè)計 3.1手部分析 手在夾緊工件的原則，可分為控制部分和吸附是兩大最常見的夾式，本設(shè)計主要是針對設(shè)計型夾手。 這是通過手指夾式、機(jī)械部分和驅(qū)動裝置，工件夾持在各種形式的適應(yīng)性強(qiáng)的樹，能抓住，盤，套類零件，在正常情況下，用兩個手指。 滑槽杠桿式手設(shè)計的基本要求： （1）是一個合適的夾緊力和驅(qū)動力。 （2）指一定范圍的開啟和關(guān)閉。 （3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)夾持精度。 （4）的要求，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 （5）應(yīng)考慮通用性和特殊的要求。 本設(shè)計考慮設(shè)計簡單，使用滑槽式反饋桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的手。下面的圖表。 控制桿可連接到液壓缸，包括一個液壓缸驅(qū)動的往復(fù)運動使手指夾緊或放松。 考慮到第二夾緊裝置的選擇、雙支點回轉(zhuǎn)型，槽型反饋桿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的手。下面的圖表。 控制桿可連接到液壓缸，包括一個液壓缸驅(qū)動的往復(fù)運動使手指夾緊或放松。 下面的基本結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析。 (a) (b) 圖3-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 1-手指 2-銷軸 3-杠桿 3.2夾緊力及驅(qū)動力的計算 手指夾持力的工作，這是設(shè)計的手。他必須大小、方向和位置都calculées.de一般需要克服的部分電荷產(chǎn)生靜載荷和慣性力的房間來生產(chǎn)運動狀態(tài)的變化，以保持工件裝夾可靠。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 式中 ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0； ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s ； (1) ==119=479N 取 (2) ==599N 3.3 夾緊油缸的設(shè)計 3.4手抓的設(shè)計 精密機(jī)械零件設(shè)計要求準(zhǔn)確定位，把握，精度高，重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性，并有足夠的把握。 機(jī)械手可以準(zhǔn)確、夾緊工件，使工件在指定的位置，定位精度不僅取決于機(jī)械手的運動臂和手腕），而且夾機(jī)大小的，尤其是在多品種在小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，需要的機(jī)械夾具的誤差分析。 圖3-3 手抓夾持誤差分析示意圖 1.484 0.166 所以=1.484<3 夾持誤差滿足設(shè)計要求。 第4章 機(jī)械手臂部設(shè)計 4.1臂部整體設(shè)計 臂構(gòu)件的主要成分是實現(xiàn)的作用是支撐部分，手腕和手（包括工作），使他們的空間旋轉(zhuǎn)。 運動的目的：臂部的手柄部分在空間任意一點。因此，臂部具有兩個自由度，以滿足基本要求，即手臂轉(zhuǎn)動和手臂動作的升降由油缸驅(qū)動和傳動機(jī)構(gòu)，以實現(xiàn)各種分析，從應(yīng)力狀態(tài)在后面，這不僅是直接在腕部和手，房間靜、動載運動本身，更重要的是，復(fù)雜的壓力。因此使用范圍，其結(jié)構(gòu)、靈活性和把握，資本和定位精度直接影響機(jī)械性能。 機(jī)身連接，傳動部件和支撐臂，以實現(xiàn)運動部件的旋轉(zhuǎn)臂，臂部，以實現(xiàn)所需的運動滿足基本要求如下： 1）機(jī)械臂支撐體 機(jī)械臂體的承載能力，根據(jù)于其剛，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)的水平。顯然，伸縮臂伸長度越大，剛度差別較大，其剛度與支撐臂的伸縮桿改變手的運動、力學(xué)性能、定位精度和承載能力，有很大的影響。 （2）運動速度的臂部分必須是高，低慣性 臂的運動速度的機(jī)器人是一個主要的參數(shù)反映了生產(chǎn)水平一般的機(jī)械手，根據(jù)生產(chǎn)需求的步伐，一般，旋轉(zhuǎn)臂的快速運動的要求，（V，W是恒定的），但在發(fā)射臂和立即停止運動，是可變的，以減少沖擊加速度，要求結(jié)束前啟動時間和加速度不能太大，否則會造成的沖擊和振動。 高速運動的機(jī)械手，最大移動速度1000到1500毫米/ S在設(shè)計，旋轉(zhuǎn)角度最大設(shè)計速度在一段180°／s，在大部分的移動距離的移動平均速度為1000毫米/秒，平均速度旋轉(zhuǎn)90度角。 （3）手臂動作應(yīng)靈活 為了減少摩擦阻力臂的運動，可以使用滑動摩擦代替滑動摩擦。 機(jī)械手懸臂梁式，其驅(qū)動元件，導(dǎo)向元件和定位元件設(shè)置應(yīng)合理，使手臂的運動平衡過程盡可能的減少起重力矩偏心支承軸上，特別是為了防止這種現(xiàn)象“封鎖”（堵塞現(xiàn)象）。 （4）位置精度要高 一般來說，直角坐標(biāo)和圓柱機(jī)器人位置精度較高；另外，要求機(jī)器人具有相同的更好，做的工作要求；技術(shù)、易加工、安裝；機(jī)械熱處理，還考慮隔離，冷卻、手機(jī)加工區(qū)的大，但也有防塵裝置的設(shè)置等。 鑒于這種設(shè)計機(jī)械手夾持固定的最大重量的15公斤，重量輕，因此設(shè)計選擇活塞桿伸縮機(jī)構(gòu)，伸縮臂油缸活塞桿安裝在活塞桿的導(dǎo)向套，減少應(yīng)力活塞桿彎曲，拉伸共同作用的壓力和彎曲載荷、應(yīng)力簡單、穩(wěn)定、運輸、外形美觀、結(jié)構(gòu)采用液壓驅(qū)動，液壓缸雙作用液壓缸的選擇。 4.2手臂伸縮驅(qū)動力計算 首先進(jìn)行估計的相同的結(jié)構(gòu)，或類似的運動參數(shù)，根據(jù)初步確定主要尺寸有關(guān)機(jī)構(gòu)，然后進(jìn)行校核計算，設(shè)計變更。重復(fù)繪制最終的結(jié)構(gòu)。 這一水平直線運動的摩擦伸縮液壓缸驅(qū)動力，根據(jù)液壓缸運動幾個方面克服阻力，慣性，以確定液壓缸需要確定力驅(qū)動力的計算液壓缸的活塞。 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計算 由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。 得 得 600=1260N 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： =0.03F。 4.2.3手臂慣性力的計算 =0.1 4.3手臂伸縮油缸的設(shè)計 表5-1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 小于5000 0.8~1 20000~30000 2.0~4.0 5000~10000 1.5~2.0 30000~50000 4.0~5.0 10000~20000 2.5~3.0 50000以上 5.0~8.0 經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=4378N，根據(jù)表5-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa； 4.3.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖5-2所示 圖4-2 雙作用液壓缸示意圖 所以 （無桿腔） （有桿腔） 將數(shù)據(jù)代入得： ==43.8mm 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=50mm. 4.3.2液壓缸外徑的設(shè)計 外徑按中等壁厚設(shè)計，根據(jù)（JB1068-67）取油缸外徑外徑選擇76mm. 4.3.3活塞桿的計算校核 表5-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 現(xiàn)在進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為 =F()=3.14=90463.4MPa 取=3 =30154.47 MPa 所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。 4.3.4 油缸端蓋的設(shè)計 表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系 工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g距t (mm) 0.5~1.5 小于150 1.5~2.5 小于120 2.5~5.0 小于100 5.0~10.0 小于80 則 Z=，代入數(shù)據(jù)=46<150，滿足要求； ==838N； 選擇K=1.5，=1.5=1255N; =+=837+1257=2095N 螺釘直徑按強(qiáng)度條件計算 =1.3=1.3×2095=2723.5N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0045m 第5章 機(jī)械手機(jī)身設(shè)計 支撐體和直接驅(qū)動臂的運動旋轉(zhuǎn)和升降臂，這些運動的傳動機(jī)構(gòu)都安在飛機(jī)的機(jī)身，機(jī)身的樹干或直接連接的基礎(chǔ)。因此，該運動臂部，機(jī)身約束機(jī)制更為復(fù)雜。機(jī)身可以固定，也可以工作，我們可以沿地面或高架軌道運動。 5.1 機(jī)身的整體設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求，機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)運動，以達(dá)到210℃，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂的運動一般設(shè)計在機(jī)身。為了設(shè)計一個合理的運動機(jī)理，考慮分析。 機(jī)身帶有旋轉(zhuǎn)臂、升降運動的重要組成部分，是機(jī)械手使用。機(jī)身結(jié)構(gòu)如下： （1）轉(zhuǎn)筒安裝在升降結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以承受更大的應(yīng)力缺點是傳輸路徑的長度變形的旋轉(zhuǎn)運動的花鍵軸，一個大的旋轉(zhuǎn)精度的影響。 （2）旋轉(zhuǎn)筒的上方設(shè)置有升降結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)向活塞桿，結(jié)構(gòu)緊湊。但旋轉(zhuǎn)圓筒部分和吊臂運動，總的頂部。 （3）活塞缸和傳動機(jī)構(gòu)臂的旋轉(zhuǎn)運動通過齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)的往復(fù)運動帶動齒輪齒條連接臂的旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動，使擺臂。 鑒于這種設(shè)計，旋轉(zhuǎn)筒上設(shè)有升降油缸結(jié)構(gòu)。這種機(jī)身設(shè)計包括兩個旋轉(zhuǎn)和升降運動，機(jī)身。如圖6所示，機(jī)身結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)筒上端的臂部件和旋轉(zhuǎn)氣缸與氣缸蓋旋轉(zhuǎn)移動件連接到氣缸體，包括筒體旋轉(zhuǎn)的臂。轉(zhuǎn)筒的轉(zhuǎn)動軸與升降氣缸的活塞桿，活塞桿是設(shè)置在中空的，一個扳手套筒和花鍵軸與柱塞舉升的花鍵軸，花鍵軸與下端蓋鍵升降油缸固定，上蓋和底座固定連接短地面固定。這也通過花鍵軸、花鍵軸固定在活塞桿上。這種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)桿內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的液壓控制，轉(zhuǎn)筒通過兩個油孔，進(jìn)油口、出油口，兩側(cè)的葉片旋轉(zhuǎn)葉片的旋轉(zhuǎn)角度通常由一個機(jī)械停止來決定，這是設(shè)計的角度考慮葉片間可滿足設(shè)計要求的動態(tài)設(shè)計與定子可旋轉(zhuǎn)210℃之間。 5.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計 5.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 手臂回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算公式為： =++ (N·m) 慣性力矩 = 所以 =227.6+0+0.03 =234.6 5.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 =94.9mm 按標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為100mm。 （2）油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎? （3）動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎? 螺紋連接的輸出軸之間，葉通常，對稱安裝，使用兩個定位銷的作用。連接螺釘，使相應(yīng)的移動板和輸出軸之間的密切接觸面不留下的移動部件的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩 = 即 式中 ——每個螺釘預(yù)緊力； D——動片的外徑； f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 或 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得 ===10416.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆絛=9.3mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 5.3機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計 5.3.1手臂片重力矩的計算 圖 5-3 手臂各部件重心位置圖 (1) 估算重量：=150N，=150N，=500N (2) 計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離: =800mm，=760mm， =400mm。 由于 = 所以 =0.5425m (3) 計算偏重力矩 =434 5.3.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 即 h＞0.32×0.5425=0.1736m 5.3.3升降油缸驅(qū)動力的計算 489.8N (2) 的計算 =2500N 5.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 =110 則： =4.94mm 活塞桿直徑應(yīng)大于8.5mm。 (4) 缸蓋螺釘?shù)挠嬎? D=120mm，取=180mm，P=1.0MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4-3，間距應(yīng)小于120mm，試選螺釘數(shù)為6個： 則 Z=，代入數(shù)據(jù)=84<120，滿足要求； ==1962.5N； 選擇K=1.5，=1.5=2943.75N;=+=1962.5+2943.75=4907N =1.3=1.3×4907=6379.1N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0068m 第6章 機(jī)械手液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計 6.1機(jī)械手運動學(xué)分析 根據(jù)前面幾部分的每個參數(shù)的液壓執(zhí)行元件，液壓系統(tǒng)的設(shè)計要求，為后續(xù)的分析工作狀態(tài)被確定為每個執(zhí)行元件在工作循環(huán)載荷的變化速度在每一個階段，液壓系統(tǒng)的工況分析，即液壓缸的P-t圖、Q-t圖、N-t圖。 6.1.1手部夾緊機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)：D=25mm，d=12mm， ， 計算工況圖： 圖6-1 6.1.2 臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)： D=100，d=50mm，b=50mm，M=，1.22rad/s 計算工況圖： 圖6-2 6.1.3 臂部伸縮機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)： D=50mm，d=36mm， ， 計算工況圖： 無桿腔進(jìn)油情況下 圖6-3 有桿腔進(jìn)油情況下： 圖6-4 6.1.4臂部升降機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)： D=125mm，d=90mm， ， 計算工況圖： 圖6-5 6.2液壓系統(tǒng)方案擬定 （a）安裝在清潔元件和煤油，壓力和密封試驗合格，可以安裝。 （b）同心度泵及其驅(qū)動要求。 （C）的輸入，輸出和泵的旋轉(zhuǎn)方向，給出了一般，不能逆轉(zhuǎn)。 （d）安裝閥門，應(yīng)注意方向的入口和一個回油。 （e）以防止空氣閥必須保持良好的密封性能。 （f）使用安裝法蘭閥件、螺絲不能擰擰緊，因為有時，但密封失效。 6.2.1調(diào)速回路方案分析 （1）方案一：節(jié)流調(diào)速 節(jié)流調(diào)速泵供油量，通過流量控制閥的輸入和輸出執(zhí)行元件的流量變化對調(diào)速系統(tǒng)，稱為閥控系統(tǒng)。如圖（7） 圖（7）為節(jié)流調(diào)速原理圖 它的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，能量損失小，控制簡單，維修方便。 而缺點是效率低，發(fā)熱。 （2）方案二：容積調(diào)速 控制容積調(diào)速，用泵或變量馬達(dá)，改變泵的轉(zhuǎn)速控制或發(fā)動機(jī)。該系統(tǒng)被稱為水泵控制系統(tǒng)圖。（8） 圖（8）為容積調(diào)速原理圖 其優(yōu)點是：效率高，發(fā)熱小，使用維護(hù)方便。缺點是：結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜 （3）方案三：容積節(jié)流調(diào)速 容積節(jié)流調(diào)速，通過施加壓力式變量泵供油的反饋，通過流量控制閥進(jìn)入或離開操作元件的變化率，從而控制速度和流量變量泵和流量流量控制閥的調(diào)整。如圖（9） 圖（9）為容積節(jié)流調(diào)速原理圖 其優(yōu)點是：無溢流損失，效率高，速度穩(wěn)定性的缺點是：有節(jié)流損失。 以上方案，有優(yōu)點和缺點每個液壓系統(tǒng)中。在一個小型機(jī)床、節(jié)流閥或調(diào)速閥通過控制進(jìn)給速度的基礎(chǔ)工作型專用機(jī)的低速性能在速度和負(fù)荷特性具有一定的要求，因此，設(shè)計容積調(diào)速節(jié)流的限壓閥和泵變速調(diào)節(jié)刀片。這種調(diào)速回路具有效率高，加熱速度低，剛度，和調(diào)速閥安裝在回油管，使切削力具有負(fù)電容。 6.2.2 快進(jìn)回路方案分析 （1）方案一：液壓缸差動連接快速調(diào)速 差動連接端面活塞桿，而表面面積端壓桿的大（大區(qū)（桿），這是因為不同的表面。不差）的兩端面承受壓力（壓力）在相同的時間，總壓桿端面不大，去頂桿端的活塞移動，這是目前油插桿室排出的無桿腔的基礎(chǔ)上，對泵油流量增加，使活塞移動得更快，形成差迅速。這種油路的連接方法如圖（10）。 圖（10）為液壓缸差動連接原理圖 其優(yōu)點是：活塞桿伸出時能獲得較快的速度，即使泵的流量較小.但這時油缸的出力較小，不適合重載.?油缸設(shè)計合理時，不需要調(diào)節(jié)，就可以使活塞桿伸出和回縮時速度相等。缺點：噪聲大。 （2）方案二：采用蓄能器的快速調(diào)速 蓄電池的能量，能量存儲裝置或液壓的液壓系統(tǒng)中。它在適當(dāng)?shù)臅r間在一個能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的能量壓縮或存儲的能量，當(dāng)系統(tǒng)是必要的，壓縮的能量或能量轉(zhuǎn)換的液壓或氣動的潛在可能可實現(xiàn)系統(tǒng)的系統(tǒng)瞬時壓力的增加，可吸收能量的一部分，以確保系統(tǒng)的正常壓力。如圖（11） 圖（11）為蓄能器快速調(diào)速原理圖 其優(yōu)點是：敏感、可靠。缺點是制造困難，高密封性。 （3）方案三：雙泵供油快速調(diào)速 雙泵供油，用兩個泵提供動力，其中一個高流量的泵，以實現(xiàn)快速運動；另一種是小流量泵，用于實現(xiàn)工作進(jìn)給，如圖（12） 圖（12）為雙泵供油快速調(diào)速 優(yōu)點：功率損耗小，效率高，系統(tǒng)的應(yīng)用更缺點是復(fù)雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。 調(diào)速方法的綜合比較快速選擇差動缸速度快。因為循環(huán)工作效率高，使用油、調(diào)速是比較好的，結(jié)構(gòu)相對雙泵供油調(diào)速方法簡單卷制造更困難，因為電池低敏感。符合發(fā)展的需要，現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)的需要。 6.2.3夾緊回路的選擇 兩位四通電磁閥控制，夾在釋放開關(guān)動作，以避免工作，因為突然斷電而松動，應(yīng)采取損失夾緊裝置夾緊的時間可調(diào)節(jié)，當(dāng)秋天過渡油壓力時能保持夾緊力，使節(jié)流閥控制的訪問速度和壓力的維持。在這個循環(huán)中還裝有一個減壓器，用來調(diào)節(jié)夾緊力的大小與隊伍穩(wěn)定夾緊。 最后把所選的液壓回路組合起來，即可以組成圖6-3所示液壓系統(tǒng)原理圖。 圖6-3液壓系統(tǒng)原理圖 6.3液壓元件的計算和選擇 6.3.1液壓泵 6.3.2確定油箱容量 V=100L 6.3.3液壓元件的選擇 表7 液壓元件一覽表 注：表中元件的序號與液壓系統(tǒng)原理圖中的序號相對應(yīng)。 6.4液壓系統(tǒng)性能驗算 6.4.1驗算回路中的壓力損失 6.4.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算 Phr＝(15.3－3)kW＝12.3kW ⑵計算散熱功率 ⑶冷卻器所需冷卻面積的計算 A＝1.3×2.8m2＝3.6m2 總 結(jié) 設(shè)計即將結(jié)束，緊張的學(xué)習(xí)階段，大大提高了我的綜合能力。本畢業(yè)幾乎用我們專業(yè)的所有課程的大學(xué)，這是我們大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識的一次綜合研究和這個畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)前，使我們對知識有一個全面的了解和的例子，我們需要材料力學(xué)的設(shè)計過程中，工程制圖，設(shè)計，材料力學(xué)，工程力學(xué)，寬容的基礎(chǔ)和計算機(jī)輔助制圖與CAD專業(yè)知識范圍內(nèi)的協(xié)調(diào)。在設(shè)計的過程中，我們不僅了解一點舊知識，使我們發(fā)現(xiàn)了許多以前沒有注意到的細(xì)節(jié)，但正是這些細(xì)節(jié)問題是如果我們可以確定關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)人員合格。 另外，我覺得畢業(yè)兩個月的設(shè)計極大地豐富我們的知識，我學(xué)到了很多知識，不僅可以學(xué)到很多知識設(shè)計過程中，由于需要運用知識，這要求我們在互聯(lián)網(wǎng)或圖書館訪問，在設(shè)計方案，需要我們對工作環(huán)境的分析，設(shè)計和結(jié)構(gòu)的機(jī)械手的運動學(xué)和工作能力的有了一定的了解來選擇合適的方案。沒有問題，由于到這方面我們必須認(rèn)識到，通過實踐和查閱資料，可以做的更好。 生命的意義，工作認(rèn)真，在這個原則指導(dǎo)下，使我的設(shè)計可以順利進(jìn)行，學(xué)習(xí)和工作的未來，我會堅持這個原則，我相信：只有在地球上，不能成功！ 參考文獻(xiàn) [1] 郭洪紅 工業(yè)機(jī)器人技術(shù)（第二版）西安電子科技大學(xué)出版社2013 [2] 孫志禮，冷興聚，魏延剛等. 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首先，設(shè)計指導(dǎo)，感謝你緊張的工作，試圖引導(dǎo)時間，我們總是關(guān)心我們的進(jìn)展?fàn)顩r，要求我們掌握幫助教師管理在整個設(shè)計過程中，從實際操作數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段，它提供了指導(dǎo)，我不僅學(xué)到了書本上的知識，更學(xué)會操作方法。并了解如何把握設(shè)計的一個關(guān)鍵，如何準(zhǔn)備一個合理的時間和紙張，在設(shè)計過程中畢業(yè)設(shè)計她與我們一起解決設(shè)計中出現(xiàn)的問題。 其次，給予幫助教師設(shè)計的畢業(yè)生，與我的同學(xué)以誠摯的感謝，在設(shè)計的過程中，他們給了我很多的幫助和無私的關(guān)懷，更重要的是提供多方面的技術(shù)，我們感謝他們，他沒有這些數(shù)據(jù)不完整的文件。 此外，也給所有的學(xué)生我的幫助表示感謝。 總之，本設(shè)計的結(jié)果是教師和學(xué)生，在一個月內(nèi)，我們合作的非常愉快，教會我很多偉大的真理，是一種資產(chǎn)，我的生活，我在新教師和學(xué)生對我的幫助表示感謝！ 上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)分析 摘 要 機(jī)械手也被稱為自動手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。 本文講述了上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及運動學(xué)分析設(shè)計。首先，通過對機(jī)械手現(xiàn)狀進(jìn)行全方位調(diào)研，在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)械手方案；接著，設(shè)計計算了各主要構(gòu)成件的結(jié)構(gòu)尺寸；然后，對液壓系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了上下料機(jī)械手裝配圖、主要零件圖。 通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了起重機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。 關(guān)鍵字：上下料，機(jī)械手，液壓缸，運動學(xué) Abstract Manipulator is also known as the automatic hand to imitate the human hand and arm of some action functions, with a fixed program to grab, handling objects or operating tools for automatic operation of the device. In this paper, the structure design and kinematics analysis of the upper and lower materials are described. First, through the full range of research status of mechanical hand, based on the proposed scheme of mechanical hands; then, design and calculation of the size of the structure of the major components; then, the hydraulic system design. Finally, through the AutoCAD software to draw the upper and lower material manipulator assembly drawing and the main parts of the map. Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance. Key words: Up and down material, Manipulator, Hydraulic cylinder, Kinematics 目 錄 摘 要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1背景及意義 1 1.2機(jī)械手概述 2 1.2.1機(jī)械手的組成 2 1.2.2機(jī)械手的分類 2 1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 2 第2章 總體方案設(shè)計 4 2.1 設(shè)計要求 4 2.1.1 動作要求 4 2.1.2參數(shù)要求 4 2.2方案擬定 4 2.2.1初步分析 4 2.2.2 擬定方案 4 第3章 機(jī)械手手部設(shè)計 6 3.1手部分析 6 3.2夾緊力及驅(qū)動力的計算 7 3.3 夾緊油缸的設(shè)計 8 3.4手抓的設(shè)計 8 第4章 機(jī)械手臂部設(shè)計 11 4.1臂部整體設(shè)計 11 4.2手臂伸縮驅(qū)動力計算 12 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計算 12 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 13 4.2.3手臂慣性力的計算 13 4.3手臂伸縮油缸的設(shè)計 14 4.3.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 14 4.3.2液壓缸外徑的設(shè)計 15 4.3.3活塞桿的計算校核 15 4.3.4 油缸端蓋的設(shè)計 16 第5章 機(jī)械手機(jī)身設(shè)計 18 5.1 機(jī)身的整體設(shè)計 18 5.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計 18 5.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 18 5.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 19 5.3機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計 21 5.3.1手臂片重力矩的計算 21 5.3.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 22 5.3.3升降油缸驅(qū)動力的計算 22 5.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 23 第6章 機(jī)械手液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計 25 6.1機(jī)械手運動學(xué)分析 25 6.1.1手部夾緊機(jī)構(gòu) 25 6.1.2 臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 25 6.1.3 臂部伸縮機(jī)構(gòu) 26 6.1.4臂部升降機(jī)構(gòu) 27 6.2液壓系統(tǒng)方案擬定 28 6.2.1調(diào)速回路方案分析 28 6.2.2 快進(jìn)回路方案分析 30 6.2.3夾緊回路的選擇 31 6.3液壓元件的計算和選擇 32 6.3.1液壓泵 32 6.3.2確定油箱容量 33 6.3.3液壓元件的選擇 33 6.4液壓系統(tǒng)性能驗算 33 6.4.1驗算回路中的壓力損失 33 6.4.2液壓系統(tǒng)發(fā)熱溫升計算 35 總 結(jié) 37 參考文獻(xiàn) 38 致 謝 39 40 第1章 緒論 1.1背景及意義 目前，由于勞動力成本和技術(shù)問題，國內(nèi)拉伸機(jī)的上下料仍然采用人工上下料，不僅效率低、精度低，而且工人的勞動強(qiáng)度大，存在操作者發(fā)生安全事故的隱患。有些拉伸機(jī)生產(chǎn)廠商為了防止操作者發(fā)生安全事故，在拉伸機(jī)上加入了一些防護(hù)措施，如加入光電保護(hù)器等；但這不能從根本上防止操作者的安全。因此，設(shè)計機(jī)械手以代替人工進(jìn)行上下料的操作就變得十分重要。本設(shè)計就是根據(jù)這一工程應(yīng)用需要，設(shè)計上下料機(jī)械手結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行運動學(xué)分析。 機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。我國的工業(yè)機(jī)械手是從80年代"七五"科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過"七五"，"八五"科技攻關(guān)，目前已經(jīng)基本掌握了機(jī)械手操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)，控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)，運動學(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，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機(jī)器人，其中有130多臺噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機(jī)械手技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定距離。 世界工業(yè)機(jī)械手的數(shù)目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前發(fā)展的。在新世紀(jì)的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機(jī)器人代替人工。隨著機(jī)器人應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機(jī)械手在汽車行業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機(jī)械手的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉(zhuǎn)變，并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，這項技術(shù)將日益完善。 隨著社會生產(chǎn)不斷進(jìn)步和人們生活節(jié)奏不斷加快，人們對生產(chǎn)效率也不斷提出新要求。由于微電子技術(shù)和計算軟、硬件技術(shù)的迅猛發(fā)展和現(xiàn)代控制理論的不斷完善，使機(jī)械手技術(shù)快速發(fā)展，其中液壓機(jī)械手系統(tǒng)由于其介質(zhì)來源簡便以及不污染環(huán)境、組件價格低廉、維修方便和系統(tǒng)安全可靠等特點，已滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個部門，在工業(yè)發(fā)展中占有重要地位。本文講述的液壓機(jī)械手有氣控機(jī)械手、XY軸絲杠組、轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)基座等機(jī)械部分組成。主要作用是完成機(jī)械部件的搬運工作，能放置在各種不同的生產(chǎn)線或物流流水線中，使零件搬運、貨物運輸更快捷、便利。 隨著工業(yè)自動化程度的提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。機(jī)械手能模擬人的手臂的部分動作，按預(yù)定的程序、軌跡及其它要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件或操縱工具。機(jī)械手可以代替很多重復(fù)性的體力勞動，從而減輕工人的勞動強(qiáng)度、提高生產(chǎn)效率。 1.2機(jī)械手概述 機(jī)械手也被稱為自動手能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著工業(yè)機(jī)械化和自動化的發(fā)展以及液壓技術(shù)自身的一些優(yōu)點，液壓機(jī)械手已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)自動化的各個行業(yè)。 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由手部、運動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機(jī)械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機(jī)械手設(shè)計的關(guān)鍵參數(shù)。自由度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個自由度。 1.2.2機(jī)械手的分類 機(jī)械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、液壓式、電動式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。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，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機(jī)械的性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機(jī)來進(jìn)行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是用專用機(jī)械手，主要附屬于自動機(jī)床或自動線上，用以解決機(jī)床上下料和工件送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手，國外稱為機(jī)器人 1.3 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r 機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。 1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標(biāo)通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 1962年美國機(jī)械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機(jī)械手。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機(jī)械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。 聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。 目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。第三代機(jī)械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機(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和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。 一般概況國內(nèi)機(jī)械行業(yè)應(yīng)用的機(jī)械手絕大部分為專用機(jī)械手，附屬于某一設(shè)備，其工作程序是固定的。通用機(jī)械手也有發(fā)展，目前應(yīng)用的都是開關(guān)式點位控制型，伺服型已試制出數(shù)臺在調(diào)試中，連續(xù)軌跡控制型還沒有。 控制方式—有觸點固定程序控制占絕大多數(shù)，專用機(jī)械手多采用這種控制。 第2章 總體方案設(shè)計 2.1 設(shè)計要求 2.1.1 動作要求 要求設(shè)計的機(jī)械手能在幾臺機(jī)械設(shè)備之間搬運和裝卸工件。由手部握緊工件，往上抬起離開定位裝置，手臂縮回，水平回轉(zhuǎn)90度，手部放下工件。 2.1.2參數(shù)要求 本次設(shè)計選定參數(shù)如下： （1）伸縮行程：800mm，伸縮速度，250mm/s； （2）升降行程：330mm，升降速度，60mm/s； （3）回轉(zhuǎn)范圍：210°，回轉(zhuǎn)速度，70°/s； （4）參考抓取重量：15kg。 2.2方案擬定 2.2.1初步分析 機(jī)械手抓重為15kg，按工業(yè)機(jī)械手的分類，屬于中型，按用途分為通用機(jī)械手，其特點是具有獨立的控制系統(tǒng)、程序可變、動作靈活多樣，通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適合于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動化生產(chǎn)。圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手與直角坐標(biāo)式械手相比，占地面積小而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，并能達(dá)到很高的定位精度，因此應(yīng)用廣泛。 2.2.2 擬定方案 (1)由初始參數(shù)擬定整體設(shè)計方案 通用機(jī)械手是3~6個自由度，而本次設(shè)計為3由度圓柱坐標(biāo)機(jī)械手，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1： 圖2-1 結(jié)構(gòu)簡圖 (2)整體結(jié)構(gòu) 由于本設(shè)計要求完成手臂的升降，旋轉(zhuǎn)以及伸縮三個動作。則可以考慮升降在下或回轉(zhuǎn)缸在下兩種方式。通過綜合考慮，本次試驗決定采用升降缸在下的形式。 第3章 機(jī)械手手部設(shè)計 3.1手部分析 手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的主要有夾鉗式，本設(shè)計主要考慮夾鉗式手部設(shè)計。 夾鉗式手部是由手指、傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤、套類零件，一般情況下多采用兩個手指。 滑槽杠桿式手部設(shè)計的基本要求為： (1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。 (2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍。 (3)應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。 (4)要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 (5)應(yīng)考慮通用性和特殊要求。 本設(shè)計考慮到設(shè)計的簡便，采用了滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型的手部結(jié)構(gòu)。簡圖如下。 驅(qū)動桿可以連接液壓缸，由液壓缸帶動其往復(fù)運動從而讓手指夾緊或放松。 通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指雙支點回轉(zhuǎn)型手抓，用了滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型的手部結(jié)構(gòu)。簡圖如下。 驅(qū)動桿可以連接液壓缸，由液壓缸帶動其往復(fù)運動從而讓手指夾緊或放松。 下面對其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析： (a) (b) 圖3-1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析 1-手指 2-銷軸 3-杠桿 在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。 由 =0 得 = 由 =0 得 = = 由=0 得=·h F= 式中 a-手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離(mm)。 -工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。 由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力F一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=~ 3.2夾緊力及驅(qū)動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進(jìn)行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： 式中 ——安全系數(shù)，通常1.2~2.0； ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可近似按下式估其中a是重力方向的最大上升加速度 ，g=9.8 m/s ； ——運載時工件最大上升速度；； ——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取0.03~0.5s； ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇； G——被抓取工件所受重力（N）。 計算：設(shè)a=40mm，b=120mm，=35°；機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動力和 驅(qū)動液壓缸的尺寸。 (1) 設(shè)=1.6 =60 mm/s =0.5s ==1.01 =0.5 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.6×1.01×0.5×15kg×9.8=119N 根據(jù)驅(qū)動力公式得： (2) ==119=479N 取 (3) ==599N 3.3 夾緊油缸的設(shè)計 確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5D，選擇液壓缸壓力油工作壓力P=3MPa 則 D=18.42mm 根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列表（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=25mm，根據(jù)裝配關(guān)系，外徑為36mm。 則活塞桿直徑為： d=250.5=12.5mm，根據(jù)活塞桿標(biāo)準(zhǔn)系列選取d=12mm。 3.4手抓的設(shè)計 機(jī)械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能。 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定要進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差分析。 圖3-3 手抓夾持誤差分析示意圖 該設(shè)計以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。 機(jī)械手的夾持范圍為Φ30~Φ60mm。 夾持誤差不超過±3mm，分析如下： 工件的平均半徑： ==45mm 手指長L=120mm，取V型夾角 偏轉(zhuǎn)角：β ===64.34° 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： β=64.34° 計算理論平均半徑 120×sin60°cos64.34°=45mm 因為 1.484 0.166 所以=1.484<3 夾持誤差滿足設(shè)計要求。 第4章 機(jī)械手臂部設(shè)計 4.1臂部整體設(shè)計 手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動它們作空間轉(zhuǎn)動。 臂部運動的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點。因此，臂部具有兩個自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的各種運動由油缸驅(qū)動和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動載荷，而且自身運動又較多，故受力復(fù)雜。因而，它的結(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(jī)械手的工作性能。 機(jī)身是固定的，它直接承受和傳動手臂的部件，實現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運動。臂部要實現(xiàn)所要求的運動，需滿足下列各項基本要求： 1）機(jī)械手臂式機(jī)身的承載 機(jī)械手臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對于機(jī)械手的運動性能，位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。 2）臂部運動速度要高，慣性要小 機(jī)械手臂的運動速度是機(jī)械手主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一般時根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)要求均速運動，（V和w為常數(shù)），但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動。 對于高速運動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計在1000～1500mm/s，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在180°/s內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動速度為1000mm/s內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度為90°/s內(nèi)。 3）手臂動作應(yīng)靈活 為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動摩擦代替滑動摩擦。 對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動件，導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運動過程盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。 4）位置精度要高 一般說來，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高；除此之外，要求機(jī)械手同用性要好，能適合做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。 考慮到本次設(shè)計的機(jī)械手最大夾持重量15Kg，抓取重量較小，因此本設(shè)計選擇油缸桿伸縮機(jī)構(gòu)，其手臂的伸縮油缸活塞桿安裝在導(dǎo)向套內(nèi)，減小油缸桿的彎曲應(yīng)力?；钊麠U受拉壓和彎曲載荷共同作用，受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。使用液壓驅(qū)動，液壓缸選取雙作用液壓缸。 4.2手臂伸縮驅(qū)動力計算 先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。 做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算為 4.2.1 手臂摩擦力的分析與計算 由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。 得 得 式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m），參考上一節(jié)的計算; a——導(dǎo)向支撐的長度（m）; ——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。 對于圓柱面： ——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 鋼對鑄鐵：取 計算：油缸桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向套支撐選擇鋼， 預(yù)估，已知L=800mm，導(dǎo)向支撐a設(shè)計為200mm 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計算 600=1260N 4.2.2手臂密封處的摩擦阻力的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： =0.03F。 4.2.3手臂慣性力的計算 =0.1 式中 ——參與運動的零件的總重力（包括工件）(N)； ——從靜止加速到工作速度的變化量(m/s)； ——啟動時間(s)，一般取0.01~0.5； 設(shè)啟動時間為0.2s，最大為0.233m/s。 則： =0.1=69.9N 由于背壓阻力較小，可取=0.05 所以 =+++=1260+69.9+0.03F+0.05F 求得 =1446N 所以手臂伸縮驅(qū)動力為=1446N。 4.3手臂伸縮油缸的設(shè)計 表5-1 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（N） 液壓缸工作壓力Mpa 小于5000 0.8~1 20000~30000 2.0~4.0 5000~10000 1.5~2.0 30000~50000 4.0~5.0 10000~20000 2.5~3.0 50000以上 5.0~8.0 經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=4378N，根據(jù)表5-1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa； 4.3.1確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖5-2所示 圖4-2 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔： 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔： 液壓缸的有效面積： (mm) 所以 （無桿腔） （有桿腔） 式中——活塞驅(qū)動力(P)； ——油缸的工作壓力(MPa)； ——活塞桿直徑； ——油缸機(jī)械效率，工程機(jī)械中用耐油橡膠可取=0.96； 由上節(jié)求得驅(qū)動力F=1446N，=1MPa，機(jī)械效率=0.96 將數(shù)據(jù)代入得： ==43.8mm 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=50mm. 4.3.2液壓缸外徑的設(shè)計 外徑按中等壁厚設(shè)計，根據(jù)（JB1068-67）取油缸外徑外徑選擇76mm. 4.3.3活塞桿的計算校核 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強(qiáng)度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計算： (mm) 設(shè)計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.1mm 考慮到手部夾緊油缸需內(nèi)置于該活塞桿，而前述已算得手部夾緊油缸外徑為36mm，所以活塞直徑按下表取d=36mm，滿足強(qiáng)度和裝配要求。 表5-2 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93） 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 現(xiàn)在進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其穩(wěn)定性條件為 式中 ——臨界力(N)； ——安全系數(shù)，=2~4。 按中長桿進(jìn)行穩(wěn)定性校核，其臨界力=F() 式中 F——活塞桿截面面積(mm)； a，b——常數(shù)，與材料性質(zhì)有關(guān)，碳鋼a=461，b=2.47； ——柔度系數(shù)，經(jīng)計算為70。 代入數(shù)據(jù)，臨界力 =F()=3.14=90463.4MPa 取=3 =30154.47 MPa 所以活塞桿滿足穩(wěn)定性要求。 4.3.4 油缸端蓋的設(shè)計 (1) 缸體材料選擇無縫鋼管，此時端蓋的連接方式多采用半環(huán)鏈接優(yōu)點是加工和裝拆方便，缺點是缸體開環(huán)槽削弱了強(qiáng)度 (2) 缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 為保證連接的緊密性，螺釘間距t應(yīng)適當(dāng)（如圖4-2），在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預(yù)緊力之和 =+ 式中 ——工作載荷，=； ——螺釘中心所在圓的直徑； P——驅(qū)動力。 Z——螺釘數(shù)目，Z=； ——剩余預(yù)緊力，=KQ，K=1.5~1.8； 計算： D=76mm，取=90mm，P=1MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4.3，間距應(yīng)小于150mm，試選螺釘數(shù)為6個： 表4-3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系 工作壓力P（Mpa） 螺釘?shù)拈g距t (mm) 0.5~1.5 小于150 1.5~2.5 小于120 2.5~5.0 小于100 5.0~10.0 小于80 則 Z=，代入數(shù)據(jù)=46<150，滿足要求； ==838N； 選擇K=1.5，=1.5=1255N; =+=837+1257=2095N 螺釘直徑按強(qiáng)度條件計算 式中 ——計算載荷，=1.3； ——許用抗拉應(yīng)力，=； ——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa； n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內(nèi)徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計算： =1.3=1.3×2095=2723.5N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0045m 第5章 機(jī)械手機(jī)身設(shè)計 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動，這些運動的傳動機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 5.1 機(jī)身的整體設(shè)計 按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實現(xiàn)手臂210°的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處。為了設(shè)計出合理的運動機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。 機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運動，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種： （1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。 （2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運動部件較大。 （3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)：齒條的往復(fù)運動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。 綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計機(jī)身包括兩個運動，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。如圖6所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉(zhuǎn)運動?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向。花鍵軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見下圖。 驅(qū)動機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進(jìn)油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來決定，對于本設(shè)計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度，為滿足設(shè)計要求，設(shè)計中動片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)210°。 5.2回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計 5.2.1回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 手臂回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算公式為： =++ (N·m) 慣性力矩 = 式中 ——臂部回轉(zhuǎn)部件(包括工件)對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）； ——回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量，在啟動過程=(rad/s)； ——啟動過程的時間(s)； 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為(前面計算得=800mm)，則 式中 ——回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量。 = 回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長600mm，直徑為1000mm的圓柱體，質(zhì)量為100Kg.設(shè)置起動角速度=70°/s，則起動角速度=1.22，起動時間設(shè)計為0.5s。 === 28 kg·m =28+=93.3kg·m ==93.3=227.6 為了簡便計算，密封處的摩擦阻力矩，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計，=0 所以 =227.6+0+0.03 =234.6 5.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸參數(shù)的確定 （1）回轉(zhuǎn)缸油腔內(nèi)徑D計算公式為： 式中 P——回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力； d——輸出軸與動片連接處的直徑，初步設(shè)計按D/d=1.5~2.5； b——動片寬度，可按2b/(D-d)≥2選取。 選定回轉(zhuǎn)缸的動片寬b=50mm，工作壓力為5MPa，d=50mm =94.9mm 按標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑選取內(nèi)徑為100mm。 （2）油缸缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為5Mpa，所以螺釘間距t應(yīng)小于80mm。螺釘數(shù)目 Z==×3.14=3.93 所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目選擇6個。 危險截面 ==0.00589 所以 =4906.3N =4906.3×1.5=7359.4N (K=1.5) 所以 7359.4+4906.3=12265.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆? d=10mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 經(jīng)過以上的計算，最終確定的液壓缸的尺寸，內(nèi)徑為100mm，外徑按中等壁厚設(shè)計，根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇168mm，輸出軸徑為50mm。 （3）動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎? 動片和輸出軸之間的聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘悠洼敵鲚S之間的配合面緊密接觸不留間隙。根據(jù)動片所受力矩的平衡條件有 = 即 式中 ——每個螺釘預(yù)緊力； D——動片的外徑； f——被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取f=0.15 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 或 帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得 ===10416.7N 螺釘材料選擇Q235，則（n=1.2~2.5） 螺釘?shù)闹睆絛=9.3mm 螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm.選擇M10的內(nèi)六角圓頭螺釘。 5.3機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計 5.3.1手臂片重力矩的計算 圖 5-3 手臂各部件重心位置圖 (1) 估算重量：=150N，=150N，=500N (2) 計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離: =800mm，=760mm， =400mm。 由于 = 所以 =0.5425m (3) 計算偏重力矩 =434 5.3.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件 手臂在的作用下有向下的趨勢，而里立柱導(dǎo)套卻阻止這種趨勢。所謂不自鎖條件就是升降立柱能在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑，即 ＞= 所以 若取摩擦系數(shù) f=0.16，則導(dǎo)套長度h＞0.32 即 h＞0.32×0.5425=0.1736m 5.3.3升降油缸驅(qū)動力的計算 式中 摩擦阻力，，取f=0.16。 G——零件及工件所受的總重。 (1) 的計算 設(shè)定速度為V=0.6m/s；起動或制動的時間差t=0.1s、為800N。 將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： 489.8N (2) 的計算 =2500N 所以 =2×2500×0.16=800N (3) 液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 (4) 由于背壓阻力較小，為簡便計算，可將其忽略，=0 所以 F=489.8+800+0.03F 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動時，F(xiàn)=2105N 當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動時，F(xiàn)=505N 5.3.4升降缸尺寸參數(shù)的確定 (1) 液壓缸內(nèi)徑的計算 液壓缸驅(qū)動力按上升時計算，F(xiàn)=2105N，由表(5-1)選擇油缸工作壓力為1.0MPa，計算如5.4節(jié)公式，代入數(shù)據(jù)： ==0.1029 根據(jù)表(4-1)可選取液壓缸內(nèi)徑D=125mm。 (2) 液壓缸外徑的計算 按厚壁計算(3.2)： 式中 ——缸體材料的許用應(yīng)力，無縫鋼管時=100~110MPa 根據(jù)表4-2（JB1068-67）取外徑選擇180mm. (3) 活塞桿的計算 設(shè)計中取活塞桿材料為碳鋼，碳鋼許用應(yīng)力的=100~120Mpa。本次取=110 則： =4.94mm 活塞桿直徑應(yīng)大于8.5mm。 (4) 缸蓋螺釘?shù)挠嬎? D=120mm，取=180mm，P=1.0MPa，間距與工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4-3，間距應(yīng)小于120mm，試選螺釘數(shù)為6個： 則 Z=，代入數(shù)據(jù)=84<120，滿足要求； ==1962.5N； 選擇K=1.5，=1.5=2943.75N;=+=1962.5+2943.75=4907N 螺釘直徑按強(qiáng)度條件計算： 式中 ——計算載荷，=1.3； ——許用抗拉應(yīng)力，=； ——螺釘材料的屈服點，材料選擇45鋼，則屈服強(qiáng)度為352MPa； n——安全系數(shù)，n=1.2-2.5，此處取n=2； ——螺紋內(nèi)徑，=d-1.224S，d為螺釘公稱直徑，S為螺距。 計算： =1.3=1.3×4907=6379.1N 代入數(shù)據(jù)： ===0.0068m 第6章 機(jī)械手液壓及控制系統(tǒng)設(shè)計 6.1機(jī)械手運動學(xué)分析 根據(jù)前面幾部分設(shè)計好的各液壓執(zhí)行元件的參數(shù)，以及設(shè)計要求等對液壓系統(tǒng)作進(jìn)一步的工況分析，確定每個執(zhí)行元件在工作循環(huán)各階段中的速度、載荷變化規(guī)律，繪制出液壓系統(tǒng)有關(guān)工況圖即液壓缸的P-t圖、Q-t圖、N-t圖。 6.1.1手部夾緊機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)： D=25mm，d=12mm， ， 計算工況圖： 圖6-1 6.1.2 臂部回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)： D=100，d=50mm，b=50mm，M=，1.22rad/s 計算工況圖： 圖6-2 6.1.3 臂部伸縮機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)： D=50mm，d=36mm， ， 計算工況圖： 無桿腔進(jìn)油情況下 圖6-3 有桿腔進(jìn)油情況下： 圖6-4 6.1.4臂部升降機(jī)構(gòu) 已知參數(shù)： D=125mm，d=90mm， ， 計算工況圖： 圖6-5 6.2液壓系統(tǒng)方案擬定 （a）安裝前元件應(yīng)以煤油進(jìn)行清洗，并要進(jìn)行壓力和密封性實驗，合格后可安裝。 (b)泵及其傳動要求較高的同心度。 (c)油泵的入口，出口和旋轉(zhuǎn)方向一般在泵上均有標(biāo)明，不得接反。 (d)安裝各種閥時，應(yīng)注意進(jìn)油口與回油口的方向。 (e)為了避免空氣滲入閥內(nèi)，連接處應(yīng)保持密封良好。 (f)用法蘭安裝的閥件，螺釘不能擰的過緊，因為有時擰的過緊反而密封不良。 6.2.1調(diào)速回路方案分析 （1）方案一：節(jié)流調(diào)速 節(jié)流調(diào)速，采用定量泵供油，由流量控制閥改變流入和流出執(zhí)行元件的流量以調(diào)節(jié)速度，這種系統(tǒng)稱閥控系統(tǒng)。如圖（7） 圖（7）為節(jié)流調(diào)速原理圖 其優(yōu)點是：能量損失較小，結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單，使用維護(hù)方便。 而缺點是：效率較低，發(fā)熱大。 （2）方案二：容積調(diào)速 容積調(diào)速，采用變量泵或變量馬達(dá)，以改變泵或馬達(dá)的排量調(diào)節(jié)速度。這種系統(tǒng)稱泵控系統(tǒng)。如圖（8） 圖（8）為容積調(diào)速原理圖 其優(yōu)點是：效率高，發(fā)熱小，使用維護(hù)方便。缺點是：結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜 （3）方案三：容積節(jié)流調(diào)速 容積節(jié)流調(diào)速，采用壓力反饋式變量泵供油，由流量控制閥改變流入或流出執(zhí)行元件的流量，進(jìn)而調(diào)節(jié)速度，同時又使變量泵的流量與通過流量控制閥的流量相適應(yīng)。如圖（9） 圖（9）為容積節(jié)流調(diào)速原理圖 其優(yōu)點是：沒有溢流損失，效率較高，速度穩(wěn)定性相對好。缺點是：會有節(jié)流損失。 以上方案，每個都有它們的優(yōu)缺點。在中小型專用機(jī)床的液壓系統(tǒng)中，進(jìn)給速度的控制一般采用節(jié)流閥或者調(diào)速閥。根據(jù)銑削類專用機(jī)床工作時對低速性能和速度負(fù)載特性都有一定要求的特點，因此本次設(shè)計采用限壓式變量葉片泵和調(diào)速閥組成的容積節(jié)流調(diào)速。這種調(diào)速回路具有效率高、發(fā)熱小和速度剛性好的特點，并且調(diào)速閥安裝在回油路上，這樣具有承受負(fù)切削力的能力。 6.2.2 快進(jìn)回路方案分析 （1）方案一：液壓缸差動連接快速調(diào)速 差動連接是，活塞無桿端面比有桿端面的受壓 面積大（大桿的面積），（這面積差 是差動的根本原因。）在兩端面受 壓力（壓強(qiáng)）相同時，無桿端面的總壓力大，會將活塞推著向有桿端移動，這就是差動。這時，將有桿腔排出的油導(dǎo)入無桿腔，就在泵油的基礎(chǔ)上增加了流量，能使活塞更快移動，形成差的快速。這種油路的連接方法如圖（10）。 圖（10）為液壓缸差動連接原理圖 其優(yōu)點是：活塞桿伸出時能獲得較快的速度，即使泵的流量較小.但這時油缸的出力較小，不適合重載.?油缸設(shè)計合理時，不需要調(diào)節(jié)，就可以使活塞桿伸出和回縮時速度相等。缺點：噪聲大。 （2）方案二：采用蓄能器的快速調(diào)速 蓄能器是，液壓或液壓系統(tǒng)中的一種能量儲蓄裝置。它在適當(dāng)?shù)臅r機(jī)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲存起來，當(dāng)系統(tǒng)需要的時，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芏尫懦鰜?，重新補供給系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)瞬間壓力增大時，它可以吸收這部分的能量，以保證整個系統(tǒng)壓力正常。如圖（11） 圖（11）為蓄能器快速調(diào)速原理圖 其優(yōu)點是：反應(yīng)靈敏，工作可靠。缺點是：制造困難，密封性要求高。 （3）方案三：雙泵供油快速調(diào)速 雙泵供油是，用兩個泵來提供動力，其中一個為大流量泵，用以實現(xiàn)快速運動；另外一個是小流量泵，則用以實現(xiàn)工作進(jìn)給，如圖（12） 圖（12）為雙泵供油快速調(diào)速 其優(yōu)點是：功率損耗小，系統(tǒng)效率高，應(yīng)用較為普遍。而缺點是：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 經(jīng)過綜合對比快速調(diào)速方法選用液壓缸差動連接快速調(diào)速。因為其工作效率高而且油的循環(huán)利用，速度的調(diào)節(jié)也比較好，而且結(jié)構(gòu)相對雙泵供油，容積調(diào)速等方式簡單，制造難度比蓄能器低，而且反應(yīng)靈敏。很符合現(xiàn)在社會的發(fā)展需要和工業(yè)生產(chǎn)需要。 6.2.3夾緊回路的選擇 用二位四通電磁閥來控制夾緊，松開換向動作時，為了避免工作時因為突然斷電而松開，應(yīng)該采用失電夾緊方式?？紤]到夾緊時間可以調(diào)節(jié)和當(dāng)油路壓力瞬時下降時還能保持夾緊力，所以要接入節(jié)流閥調(diào)速和單向閥保壓。在該回路中還裝有減壓器，用來調(diào)節(jié)夾緊力的大小和保持夾緊力的穩(wěn)定。 最后把所選的液壓回路組合起來，即可以組成圖6-3所示液壓系統(tǒng)原理圖。 圖6-3液壓系統(tǒng)原理圖 6.3液壓元件的計算和選擇 6.3.1液壓泵 ① 工作壓力： P=P=5 MPa，估算=0.5MPa 所以 P5 +0.5=5.5MPa ② 流量： =29.44L/min，取K=1.1 所以QK20.24=32.4L/min ③ 規(guī)格： 根據(jù)《液壓設(shè)計手冊單行本》P152，表20-5-6，選擇齒輪泵CB40，n=1460r/min，Q=40L/min，P=6MPa ④ 電機(jī)選用： 取泵的總效率=0.85，則N==4.7kw 選電機(jī)：Y132M-4，N=5.5kw，n=1460r/min。 6.3.2確定油箱容量 V=100L 6.3.3液壓元件的選擇 表7 液壓元件一覽表 序號 元件名稱 規(guī)格 數(shù)量 1 線隙式過濾器 2.5MPa，100L/min 1 2 電動機(jī) 5.5kw，1460r/min 1 3 齒輪泵 5MPa，1450r/min 1 4 溢流閥 2.5MPa，12 1 5 電磁換向閥 6.3MPa，12 1 6 單向閥 6.3MPa，12 1 7 壓力表 (0~8)MPa 1 8，14 節(jié)流閥 6.3MPa，12 2 9，15，20，21 25，26，30 節(jié)流閥 6.3MPa，8 7 10，16 電磁換向閥 6.3MPa，12 2 11，17 電磁換向閥 6.3MPa，12 2 12，18 單向順序閥 2.5MPa，12 2 22，27 電磁換向閥 6.3MPa，8 2 23，28 電磁換向閥 6.3MPa，8 2 31 電磁換向閥 6.3MPa，8 1 33 壓力繼電器 (1~6.3)MPa 1 34 減壓閥 6.3MPa，8 1 35 壓力表開關(guān) 6.3MPa，4 1 注：表中元件的序號與液壓系統(tǒng)原理圖中的序號相對應(yīng)。 6.4液壓系統(tǒng)性能驗算 6.4.1驗算回路中的壓力損失 本系統(tǒng)較為復(fù)雜，有多個液壓執(zhí)行元件動作回路，其中環(huán)節(jié)較多，管路損失較大的要算注射缸動作回路，故主要驗算由泵到注射缸這段管路的損失。 ⑴沿程壓力損失 沿程壓力損失，主要是注射缸快速注射時進(jìn)油管路的壓力損失。此管路長 5m，管內(nèi)徑0.032m，快速時通過流量2.7L/s；選用20號機(jī)械系統(tǒng)損耗油，正常運轉(zhuǎn)后油的運動粘度ν＝27mm2/s，油的密度ρ＝918kg/m3。 油在管路中的實際流速為 油在管路中呈紊流流動狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為： 求得沿程壓力損失為： ⑵局部壓力損失 局部壓力損失包括通過管路中折管和管接頭等處的管路局部壓力損失Δp2，以及通過控制閥的局部壓力損失Δp3。其中管路局部壓力損失相對