2859 機(jī)械手夾持器設(shè)計(jì),機(jī)械手,夾持,設(shè)計(jì)
機(jī)械手夾持器設(shè)計(jì)2.1 夾持器設(shè)計(jì)的基本要求（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。設(shè)計(jì)參數(shù)及要求（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊—放松；（2）所要抓緊的工件直徑為 80mm 放松時的兩抓的最大距離為 110-120mm/s ， 1s 抓緊 ,夾持速度 20mm/s；（3）工件的材質(zhì)為 5kg，材質(zhì)為 45#鋼；（4）夾持器有足夠的夾持力；（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由液壓缸提供動力。2.2 夾持器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2.1 夾緊裝置設(shè)計(jì).2.2.1.1 夾緊力計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下列公式計(jì)算：2-1123NFKG?式中：—安全系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取 1.2——2.0，取 1.5；1K—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計(jì)算最大加速度，得出工作情2況系數(shù) , ，a 為機(jī)器人搬運(yùn)工件過程的加速度或減速度0.2/11.98ag???的絕對值（m/s） ；—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，3K手指與工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；手指與工件形狀： 型指端夾持圓柱型工件，V， 為摩擦系數(shù)， 為 型手指半角，此處粗略計(jì)算 ,如圖 2.130.5sinf??f?V34K?圖 2.1—被抓取工件的重量G求得夾緊力 ， ，取整為NF123.5102439.8176.5NKMgN???177N。2.2.1.2 驅(qū)動力力計(jì)算根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關(guān)系式： 2sinNFcba?式中：c—滾子至銷軸之間的距離；b—爪至銷軸之間的距離；—楔塊的傾斜角a可得 ，得出 為理論2sin17286sin195.34NFba Nc????? F計(jì)算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動力 要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率 ，'F?一般取 0.8～0.9，此處取 0.88，則：，取'195.2.7608N??'50F?2.2.1.3 液壓缸驅(qū)動力計(jì)算設(shè)計(jì)方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，液壓缸為單作用缸，提供推力： 2=4FDp?推式中 ——活塞直徑D——活塞桿直徑d——驅(qū)動壓力，p,已知液壓缸驅(qū)動力 ，且'F?推 'F'501NK??由于 ，故選工作壓力 P=1MPa '10KN?據(jù)公式計(jì)算可得液壓缸內(nèi)徑： '452.313.1FDmp????根據(jù)液壓設(shè)計(jì)手冊,見表 2.1，圓整后取 D=32mm。表 2.1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）20 25 32 40 50 55 63 6570 75 80 85 90 95 100 105110125 130 140 160 180 200 250活塞桿直徑 d=0.5D=0.5×40mm=16mm活塞厚 B=(0.6～1.0)D 取 B=0.8d=0.7×32mm=22.4mm,取 23mm.缸筒長度 L≤(20 ～30)D 取 L 為 123mm活塞行程，當(dāng)抓取 80mm 工件時，即手爪從張開 120mm 減小到 80mm，楔快向前移動大約 40mm。取液壓缸行程 S=40mm。液壓缸流量計(jì)算：放松時流量 ??SdDQ???)(42612316010.724/minqVAL???夾緊時流量2261 3010.95/min4SqVADL????????2.2.1.4 選用夾持器液壓缸溫州中冶液壓氣動有限公司所生產(chǎn)的輕型拉桿液壓缸 型號為：MOB-B-32-83-FB，結(jié)構(gòu)簡圖，外形尺寸及技術(shù)參數(shù)如下：表 2.2 夾持器液壓缸技術(shù)參數(shù)圖 2.2 結(jié)構(gòu)簡圖受壓面積( )2cm工作壓力使用溫度范圍允許最大速度效率傳動介質(zhì)缸徑無桿腔 有桿腔速度比1MPa ～+??10?8300 m/s 90%常規(guī)礦物液壓油32mm12.5 8.6 1.45圖 2.3 外形尺寸2.2.2 手爪的夾持誤差及分析機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機(jī)械手定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動部件確定） ，而且也與手指的夾持誤差大小有關(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，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖 2-4，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機(jī)械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過 ，手部的最終誤差1m?取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補(bǔ)償能力。圖 2.4工件直徑為 80mm，尺寸偏差 ，則 ，5m?ax42.5Rm?， 。min37.5R?40epR?本設(shè)計(jì)為楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，屬于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指夾持，如圖 2.5。圖 2.5若把工件軸心位置 C 到手爪兩支點(diǎn)連線的垂直距離 CD 以 X 表示，根據(jù)幾何關(guān)系有： 22()cossininABABRXlla??????簡化為： 2221(i)(sin)iABABlla?該方程為雙曲線方程，如圖 2.6：圖 2.6 工件半徑與夾持誤差 關(guān)系曲線?由上圖得，當(dāng)工件半徑為 時，X 取最小值 ，又從上式可以求出：0RminX，通常取sincoABl???210???mi若工件的半徑 變化到 時，X 值的最大變化量，即為夾持誤差，用 表示。axRin ?在設(shè)計(jì)中，希望按給定的 和 來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，maxiR一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結(jié)構(gòu)增大；另一方面可選取合適的偏轉(zhuǎn)角，使夾持誤差最小，這時的偏轉(zhuǎn)角稱為最佳偏轉(zhuǎn)角。只有當(dāng)工件的平均半徑 取為? epR時，夾持誤差最小。此時最佳偏轉(zhuǎn)角的選擇對于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng) a 值較0R大時） ，偏轉(zhuǎn)角 的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓?取半徑較小時，兩手爪的 和 邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手BE'爪抓取工件的平均半徑 ，以 為條件確定兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角 ，epR90CD??? ?即下式： 1cos[()]inepABal???其中 , , 型鉗的夾角290am?86ABlV210??代入得出： 10cos[(45)]6.7in8?? ??則 0sin86cs.1.02ABRl m????????則 ，此時定位誤差為 和 中的最大值。minax?1?222 2maxin1()cossinsiABABABRllla?????????2222minin() isABABABlll分別代入得：，10.256m??20.148m??所以， ，夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。.?由以上各值可得： 2221(sinco)(sin)5.924sinABABXRllam????????取值為 。56m2.2.3 楔塊等尺寸的確定楔塊進(jìn)入杠桿手指時的力分析如下：圖 2.7上圖 2.7 中—斜楔角， ＜ 時有增力作用；??30?—滾子與斜楔面間當(dāng)量摩擦角， ， 為滾子與轉(zhuǎn)軸間的摩擦'2? '22tan()tandD???角， 為轉(zhuǎn)軸直徑， 為滾子外徑， ， 為滾子與轉(zhuǎn)軸間摩擦系數(shù); dDf—支點(diǎn) 至斜面垂線與杠桿的夾角；?O—杠桿驅(qū)動端桿長；l—杠桿夾緊端桿長；'—杠桿傳動機(jī)械效率?2.2.3.1 斜楔的傳動效率斜楔的傳動效率 可由下式表示：?'2sin=()???'22tantdD??杠桿傳動機(jī)械效率 取 0.834， 取 0.1， 取 0.5，則可得 = , 2t ?14.036?，取整得 = 。'290?????14?2.2.3.2 動作范圍分析陰影部分杠桿手指的動作范圍，即 ，見圖 2.8'290????圖 2.8如果 ，則楔面對杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所'2???以 必須大于 。此外，當(dāng) 時，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉(zhuǎn)支點(diǎn)' 90???在結(jié)構(gòu)上干涉，即為手指動作的理論極限位置。2.2.3.3 斜楔驅(qū)動行程與手指開閉范圍當(dāng)斜楔從松開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程為 L，此時對應(yīng)的杠桿手指由 位置轉(zhuǎn)到 位置，其驅(qū)動行程可用下式表示：1?2?12cos(cos)inilllL??????杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：'12[cos()cs()]l???????通常狀態(tài)下， 在 左右范圍內(nèi)， 則由手指需要的開閉范圍來確定。由給2?90???定條件可知最大 為 55-60mm,最小設(shè)定為 30mm.即 。已知 ，s 30(560)s???14???可得 ，有圖關(guān)系：29076??????圖 2.9可知：楔塊下邊為 60mm，支點(diǎn) O 距中心線 30mm，且有 ，解得：'30()tgl???'120l??2.2.3.4 與 的確定'l斜楔傳動比 可由下式表示：i''sinliL?????可知 一定時， 愈大， 愈大，且杠桿手指的轉(zhuǎn)角 在 范圍內(nèi)增大時，?'li ?90??傳動比減小，即斜楔等速前進(jìn)，杠桿手指轉(zhuǎn)速逐漸減小，則由 分配距離為：'12l??， 。50l?'7l2.2.3.5 確定1?由前式得：(603)s???， ，取 。17[cos(4)cos(7614)??????150.623???150???2.2.3.6 確定L為沿斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程，有下圖中關(guān)系圖 2.10，取 ，則楔塊上邊長為 18.686，取50(cos76)82.50in14L?????? 83L?19mm.2.2.4 材料及連接件選擇V 型指與夾持器連接選用圓柱銷 ，d=8mm, 需使用 2 個/19.GBT杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷 ，d=8mm, 需使用 2 個滾子與手指連接選用圓柱銷 ，d=6mm, 需使用 2 個/.以上材料均為鋼，無淬火和表面處理楔塊與活塞桿采用螺紋連接，基本尺寸為公稱直徑 12mm，螺距 p=1，旋合長度為10mm。第三章 腕部3.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求手腕部件設(shè)置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕部件具有獨(dú)立的自由度，此設(shè)計(jì)中要求有繞中軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3）必須考慮工作條件對于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。3.2 具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的典型腕部結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸，實(shí)現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。從 A—A 剖視圖上可以看到，回轉(zhuǎn)葉片（簡稱動片）用螺釘，銷釘和轉(zhuǎn)軸 10 連接在一起，定片 8 則和缸體9 連接。壓力油分別由油孔 5.7 進(jìn)出油腔，實(shí)現(xiàn)手部 12 的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動，靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于 ） ，圖中缸可回轉(zhuǎn) 。腕部旋轉(zhuǎn)位置270? 90??控制問題，可采用機(jī)械擋塊定位。當(dāng)要求任意點(diǎn)定位時，可采用位置檢測元件（如本例為電位器，其軸安裝在件 1 左端面的小孔）對所需位置進(jìn)行檢測并加以反饋控制。圖 3.1圖示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅(qū)動液壓缸的油管是從回轉(zhuǎn)中心通過，腕部回轉(zhuǎn)時，油路認(rèn)可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉(zhuǎn)。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉(zhuǎn)液壓缸）由手臂內(nèi)通過并經(jīng)腕架分別進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸和手部驅(qū)動液壓缸。本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn) ，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的018回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動，參考上圖典型結(jié)構(gòu)。3.3 腕部結(jié)構(gòu)計(jì)算3.3.1 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服的阻力有：（1）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 M摩12=()RfMFD?摩式中 ， —軸承處支反力（N） ，可由靜力平衡方程求得 ;1RF2, —軸承的直徑（m） ；D—軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承 =0.01-0.02；對于滑動軸承f f=0.1。f為簡化計(jì)算，取 ，如圖 3.1 所示，其中， 為工件重量， 為手0.1M?摩 總 阻 力 矩 1G2部重量， 為手腕轉(zhuǎn)動件重量。3G圖 3.1（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 M偏1=Ge偏式中 e—工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離 ，已知 e=10mm.()m則 1=39.801.294MGN?????偏（3）克服啟動慣性所需的力矩 M慣啟動過程近似等加速運(yùn)動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度 及啟動過程轉(zhuǎn)過的角度 按??啟下式計(jì)算： =t慣 工 件 啟（ J+）式中 —工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ；工 件J 2()Nms?—手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ；?—手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度 ；?(1)s—啟動過程所需的時間 ，一般取 0.05-0.3s,此處取 0.1s.。t啟手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為 200mm，直徑 90mm，其重力估算：,取 98N.230.45.7809.87.26GKgmNg?????等效圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量：22211.045.198GJMRg??工件的轉(zhuǎn)動慣量，已知圓柱體工件 ，ml?22=(3)3(..).03711mJl????工 件要求工件在 0.5s 內(nèi)旋轉(zhuǎn) 90 度, 取平均角速度，即 = ，???代入得： =(0.1.37)0.435.1MNmt ??????慣 工 件 啟（ J+）=.29.MNm??總 阻 力 矩 摩 偏 慣 總 阻 力 矩解可得： =0.8083總 阻 力 矩 ?3.3.2 回轉(zhuǎn)液壓缸所驅(qū)動力矩計(jì)算回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩 M總?cè)鐖D 3.3，定片 1 與缸體 2 固連，動片 3 與轉(zhuǎn)軸 5 固連，當(dāng) a, b 口分別進(jìn)出油時，動片帶動轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)的目的。圖 3.3圖 3.4圖 3.4 為回轉(zhuǎn)液壓缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩。M或 2()RrpbrdM?????總 2()pbRr??總式中 ——手腕回轉(zhuǎn)時的總的阻力矩總 ()Nm?——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa）p——缸體內(nèi)孔半徑（m）R——輸出軸半徑（m） ，設(shè)計(jì)時按 選取r1.52Dd??——動片寬度（ m）b上述動力距與壓力的關(guān)系是設(shè)定為低壓腔背壓力等于零。3.3.3 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D 計(jì)算由 ，得：M?總 阻 力 矩， 2()pbRr??總 2Mrpb??為減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時，選用： 2bRr??綜合考慮，取值計(jì)算如下：r=16mm，R=40mm，b=50mm， 取值為 1Mpa，即如下圖：P圖 3.53.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算圖 3.6 缸蓋螺釘間距示意表 3.3 螺釘間距 t 與壓力 P 之間的關(guān)系上圖中表示的連接中，每個螺釘在危險截面上承受的拉力為：，即工作拉力與殘余預(yù)緊力之和F??總 預(yù)計(jì)算如下：液壓缸工作壓強(qiáng)為 P=1Mpa,所以螺釘間距 小于 150mm,試選擇 2 個螺釘，t，所以選擇螺釘數(shù)目合適 Z=2 個 0.8.1256.1504Dmm?????受力截面222 283.034614SRr m????610.167.8PFNZ??所 以 ，，此處連接要求有密封性，故 k 取（1.5-1.8） ，取 K=1.6。 K預(yù) 1.627.84362.5?預(yù)所以 84=96.38F???總 預(yù)螺釘材料選擇 Q235，，安全系數(shù) n 取 1.5（1.5-2.2）??24016.5sMPan?則螺釘?shù)闹睆接上率降贸?，F(xiàn) 為總拉力即 ??4.3d????F?總工作壓力 P（ Mpa） 螺釘?shù)拈g距 t(mm)0.51:小于 1502小于 120.小于 100501:小于 80??641.3.589.37.1410Fd m???????螺釘?shù)闹睆竭x擇 d=8mm.3.3.5 靜片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)。螺釘由于油液沖擊產(chǎn)生橫向載荷，由于預(yù)緊力的作用，將在接合面處產(chǎn)生摩擦力以抵抗工作載荷，預(yù)緊力的大小，以接合面不產(chǎn)生滑移的條件確定，故有以下等式： 20()4PbDdMfFZi??摩為預(yù)緊力, 為接合面摩擦系數(shù)，?。?.10-0.16）范圍的 0.15，即鋼和鑄鐵零件，0Ff為接合面數(shù)，取 =2，Z 為螺釘數(shù)目，取 Z=2，D 為靜片的外徑，d 為輸出軸直徑，則ii可得： ??204bpFZfi??螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： ??01d???帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得： ????62 2200.40.8.396.5415bpFDd NZfi??????螺釘材料選擇 Q235，則 （安全系數(shù) ）??1.sMpan??1.25n:螺釘?shù)闹睆? ，d 值極小，取 。041.3.98Fdm??? 6dm?螺釘選擇 M6 的開槽盤頭螺釘， ,如圖 3.7：/67GBT54?圖 3.73.3.6 腕部軸承選擇腕部材料選擇 HT200， ，估計(jì)軸承所受徑向載荷為 50N,軸向載荷37.9gcm??較小，忽略。兩處均選用深溝球軸承。現(xiàn)校核較小軸徑處軸承。6005 軸承基本數(shù)據(jù)如下：，當(dāng)量動載荷 ，載荷系數(shù) 取 1， ，則 ，由10rcKN?prfF?pf50rFN?50p公式：6()hcLnp?N 為轉(zhuǎn)速，由 0.5s 完成 回轉(zhuǎn)，計(jì)算得： ， ，球軸承90? 60minr?rc?3??代入得：，遠(yuǎn)大于軸承額定壽命 。63910()2.415hLh???610h選用軸承為深溝球軸承 6005，6008。3.3.7 材料及連接件，密封件選擇右端軸承端蓋與腕部回轉(zhuǎn)缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋， ， ,/5783GBT16M?需用 4 個。右缸蓋與缸體連接選用六角頭螺栓，全螺紋， ， ,需用 4 個。/5783T16?左缸蓋與缸體及法蘭盤連接選用六角頭螺栓，全螺紋， ， ,需用/4 個。選用墊圈防松， ，公稱尺寸為 5。/84GBT右端軸承端蓋與腕部回轉(zhuǎn)缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋， ， ,/5783GBT16M?需用 4 個。為定位作用，軸左側(cè)增加一個套筒，材料為 HT200，尺寸如下：圖 3.8動片與輸出軸連接選用六角頭螺栓 全螺紋， ， 需用 2 個。/5783GBT16M?密封件選擇：全部選用氈圈油環(huán)密封，材料為半粗羊毛氈。右端蓋 d=40mm, 左右缸蓋 d=25mm。第四章 伸縮臂設(shè)計(jì)4.1 伸縮臂設(shè)計(jì)基本要求設(shè)計(jì)機(jī)械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機(jī)械手，完成直線伸縮動作。（1）功能性的要求機(jī)械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)。（2）適應(yīng)性的要求為便于調(diào)整，適應(yīng)工件大小不同的要求，起止位置要方便調(diào)整，要求設(shè)置可調(diào)式定位機(jī)構(gòu)。為了控制慣性力，減少運(yùn)動沖擊，動力的大小要能與負(fù)載大小相適應(yīng)，如步進(jìn)電機(jī)通過程序設(shè)計(jì)改變運(yùn)動速度，力矩電機(jī)通過調(diào)整工作電壓，改變堵力矩的大小，達(dá)到工作平穩(wěn)、動作快捷、定位準(zhǔn)確的要求。（3）可靠性的要求可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預(yù)定使用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。工業(yè)機(jī)械手可自動完成預(yù)定工作，廣泛應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線上，因此要求機(jī)械手工作必須可靠。設(shè)計(jì)時要進(jìn)行可靠性分析。（4）壽命的要求產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時因磨損而使性能下降在允許范圍內(nèi)而且無需大修的連續(xù)工作期限。設(shè)計(jì)中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤滑措施、合理設(shè)計(jì)零件的形面等。因各零部件難以設(shè)計(jì)成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。（5）經(jīng)濟(jì)的要求機(jī)械產(chǎn)品設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性包括設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性和使用的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品的制造成本構(gòu)成中材料費(fèi)、加工費(fèi)占有很大的比重，設(shè)計(jì)時必須給予充分注意。將機(jī)械設(shè)計(jì)課程中學(xué)到的基本設(shè)計(jì)思想貫穿到設(shè)計(jì)中。（6）人機(jī)工程學(xué)的要求人機(jī)工程學(xué)也稱為技術(shù)美學(xué)，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護(hù)保養(yǎng)容易等。本設(shè)計(jì)中要充分考慮外形設(shè)計(jì)，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要方便人體接近，方便工具的使用。（7）安全保護(hù)和自動報警的要求按規(guī)范要求，采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設(shè)計(jì)都必須考慮的，是必不可少的。在程序設(shè)計(jì)中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機(jī)構(gòu)卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設(shè)置報警裝置。設(shè)計(jì)參數(shù)（1）伸縮長度：300mm；（2）單方向伸縮時間：1.5～2.5S；（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于 2mm；（4）前端安裝機(jī)械手，伸縮終點(diǎn)無剛性沖擊；4.2 方案設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動方案（1）伸縮原理采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時采用單向調(diào)速閥進(jìn)行回油節(jié)流調(diào)速，接近終點(diǎn)時，發(fā)出信號，進(jìn)行調(diào)速緩沖（也可采用緩沖油缸） ，靠油缸行程極限定位，采用導(dǎo)向桿導(dǎo)向防止轉(zhuǎn)動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。 （圖 4.1）圖 4.1（2）液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運(yùn)動時間要求，具體設(shè)計(jì)計(jì)算參考《液壓傳動與控制》等相關(guān)教材。由于伸縮臂做間歇式往復(fù)運(yùn)動，有較大的沖擊，設(shè)計(jì)時要考慮緩沖措施，可從液壓回路設(shè)計(jì)上考慮，也可從液壓件結(jié)構(gòu)上考慮。設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)及要求：① 電磁閥流量：要滿足伸縮速度的要求。② 油缸直徑：推力大小要能克服機(jī)構(gòu)起動慣性并有一定的起動加速度，要滿足運(yùn)動時間要求。③ 導(dǎo)向桿剛度：按最長伸出時機(jī)械手端部的撓度不超過規(guī)定要求。④ 定位方式和元件：自選。（3）結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及強(qiáng)度和剛度計(jì)算伸縮臂運(yùn)動簡圖見圖 4-1① 結(jié)構(gòu)方案說明a：支座 1 安裝在機(jī)器人床身上，用于安裝伸縮臂油缸和導(dǎo)向桿等零部件。b：法蘭 4 用于安裝機(jī)械手，其形式和尺寸要與機(jī)械手相協(xié)調(diào)。c：液壓缸伸出桿帶動導(dǎo)向桿同時伸出 300mm，伸出長度較大，設(shè)計(jì)、制造和安裝時要考慮液壓缸與導(dǎo)向桿的平行度要求。d：導(dǎo)向桿可采用直線導(dǎo)軌或直線導(dǎo)軸。直線導(dǎo)軌可選用外購件，直接從生產(chǎn)廠家的有關(guān)資料中獲得所需參數(shù)（網(wǎng)上查詢直線導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軸） 。采用直線導(dǎo)軸時可自行設(shè)計(jì)，并且要考慮導(dǎo)向桿的潤滑，潤滑方式參考有關(guān)手冊設(shè)計(jì)。② 強(qiáng)度及剛度計(jì)算本機(jī)械手夾持工件重量約 3Kg 左右，夾持器重量約 15Kg，夾持器長度最大約250mm。從受力角度分析，載荷不大，可參考其它機(jī)器作類比設(shè)計(jì)即可。伸縮臂的機(jī)構(gòu)力學(xué)模型如圖 4.2 所示。夾持器夾著工件，伸縮臂全部伸出，是導(dǎo)桿受力最大的狀態(tài),也是變形最大的位置。在此情況下，用材料力學(xué)的知識計(jì)算它的強(qiáng)度和剛度。圖 4.24.3 伸縮臂機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.3.1 伸縮臂液壓缸參數(shù)計(jì)算4.3.1.1 工作負(fù)載 R液壓缸的工作負(fù)載 R 是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下，以一定加速度啟動時對液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即：imgR??式中： -工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重對液壓缸產(chǎn)生的作用力；i-工作機(jī)構(gòu)在滿載啟動時的靜摩擦力；mR-工作機(jī)構(gòu)滿載啟動時的慣性力。g(1) 的確定i① 工件的質(zhì)量 m=5.9 (kg) 2vrh????20.87.85314.5?????????②夾持器的質(zhì)量 15kg(已知)③伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計(jì))④其他部件的質(zhì)量 15kg(估計(jì))工作機(jī)構(gòu)荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N) 取 Ri=860N(2) 的確定 Rm= (N) mR172.086???Ri?(3) 的確定 Rg= (N) g .??tgVG式中： 為啟動時間，其加速時間約為 0.1～0.5st?=0.1s , =0.2st?總負(fù)載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N) 取實(shí)際負(fù)載為 =1200 RN4.3.1.2 液壓缸缸筒內(nèi)徑 D 的確定D= mMpapR3914.320????式中：R=1000 <5000 , p 可取 0.8～ , =Na取液壓缸缸筒內(nèi)徑為 40mm。4.3.1.3 活塞桿設(shè)計(jì)參數(shù)及校核(1)活塞桿材料：選擇 45 號調(diào)質(zhì)鋼，其抗拉強(qiáng)度 =570b?aMp(2)活塞桿的直徑：查《液壓傳動設(shè)計(jì)手冊》得，當(dāng)壓力小于 10Mpa 時，速比=1.33。?則可選取活塞桿直徑為 20mm 系列，且缸筒的厚度為 5mm。 最小導(dǎo)向長度： mm 304522lDH???(3)活塞桿強(qiáng)度及壓桿穩(wěn)定性的計(jì)算 采用非等截面計(jì)算法 ① 油缸穩(wěn)定性的計(jì)算因?yàn)橛透椎墓ぷ餍谐梯^大，則在油缸活塞桿全部伸出時，計(jì)算油缸受最大作用力壓縮時油缸的穩(wěn)定性。假設(shè)油缸的活塞桿的推理為 P，油缸穩(wěn)定的極限應(yīng)力為 Pk，則油缸穩(wěn)定性的條件為 P
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