機(jī)械手-凸輪軸加工自動(dòng)線機(jī)械手,機(jī)械手,凸輪軸,加工,自動(dòng)線 設(shè)計(jì)說(shuō)明書 課題：凸輪軸加工自動(dòng)線機(jī)械手 班級(jí)： 數(shù)控69902 設(shè)計(jì)： 沈曉春 審核： 二00五年九月 目錄 一、目錄………………………………………………………………………………………………………2 二、前言………………………………………………………………………………………………………3 （一）機(jī)械手的用途說(shuō)明…………………………………………………………………………3 （二）設(shè)計(jì)機(jī)械手的目的、意義………………………………………………………………3 （三）設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想應(yīng)達(dá)到的技術(shù)性能要求…………………………………………4 三、設(shè)計(jì)方案論證………………………………………………………………………………………5 （一）機(jī)械手的原始依據(jù)…………………………………………………………………………5 （二）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方案論證…………………………………………………………………6 四、機(jī)械手各組成部件設(shè)計(jì)計(jì)算………………………………………………………………8 （一）抓取機(jī)械設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………8 （二）手腕機(jī)構(gòu)…………………………………………………………………………………………12 （三）手臂設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………………14 （四）緩沖裝置設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………22 （五）定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………………25 （六）機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………………25 五、機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………25 六、設(shè)計(jì)總結(jié)……………………………………………………………………………………………26 七、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………………27 二、 前言 （一）機(jī)械手的用途說(shuō)明 機(jī)械手是模仿人手工作的機(jī)械設(shè)備。實(shí)驗(yàn)用機(jī)械手的設(shè)計(jì)，是指機(jī)械手臂在一定范圍內(nèi)的擺動(dòng)，手臂的垂直方向的上下移動(dòng)及手爪的伸縮運(yùn)動(dòng)組成。由啟動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)。它的主要作用是將工件按預(yù)定的程序自動(dòng)地搬運(yùn)到需要的位置，或者保持工具進(jìn)行工作。機(jī)械手是利用PLC控制整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)化控制，且能用于教學(xué)演示。 （二）機(jī)械手的目的、意義 機(jī)械手是模仿人手的動(dòng)作，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動(dòng)條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大。因此，在機(jī)械加工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 目的是，我們對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)步驟有一定的平衡了解；也能基本掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的方法；綜合運(yùn)用學(xué)過(guò)的理論知識(shí)；全面復(fù)習(xí)繪圖技巧，并較好的運(yùn)用于畢業(yè)設(shè)計(jì)繪圖上。通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我了解到，自動(dòng)控制的對(duì)象主要是單機(jī)或某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，智能控制則包括控制對(duì)象及整個(gè)工作環(huán)境或整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程；自動(dòng)控制的目標(biāo)是使在系統(tǒng)控制的某個(gè)狀態(tài)下，盡量消除環(huán)境對(duì)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(dòng)控制的學(xué)習(xí)來(lái)源重要是對(duì)象的狀態(tài)的反饋，所以智能控制需要一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)；自動(dòng)控制理論著重描述對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，然后，通過(guò)各種控制算法進(jìn)行控制，以達(dá)到目的，智能控制著重直接控制經(jīng)驗(yàn)。 （三）設(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想，應(yīng)達(dá)到的技術(shù)性能要求 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：設(shè)計(jì)為三自由度的機(jī)械手臂，運(yùn)動(dòng)形式簡(jiǎn)單，可以把手臂設(shè)計(jì)成為沿導(dǎo)向裝置運(yùn)動(dòng)，直接選用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的液壓缸和內(nèi)脹式機(jī)械手爪，無(wú)須另行設(shè)計(jì)。 外觀不要有手臂堵塞外形：設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)的手臂不要光用于工業(yè)生產(chǎn)，因此，對(duì)各部件的加工精度及安裝要求不高，可以在通用機(jī)床上加工完成。 三、設(shè)計(jì)方案論證 （一）機(jī)械手設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù) 1.組成結(jié)構(gòu) 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及位置檢測(cè)等裝置組成。各系統(tǒng)的關(guān)系如圖： 控制系統(tǒng) → 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) → 執(zhí)行系統(tǒng) → 抓取工件 ‖ —— 位置檢測(cè) —— ‖ 2.執(zhí)行機(jī)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(jī)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(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的關(guān)系。 （5） 行走機(jī)構(gòu)：為完成遠(yuǎn)距離的操作和擴(kuò)大使用范圍，可增設(shè)滾輪行走機(jī)構(gòu)。 （6） 機(jī)座：它是機(jī)械手的基礎(chǔ)部件，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部分和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝在機(jī)座上，起支撐和聯(lián)結(jié)作用。 3.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的出動(dòng)裝置，常用的有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。 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(jī)械手的重要組成部分，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)，對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行控制，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤時(shí)，發(fā)出警報(bào)信號(hào)。 5.位置檢測(cè)裝置 控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)械的運(yùn)動(dòng)位置并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)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(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)一定的精度達(dá)到預(yù)定位置。 （二）機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)方案論證 1.機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式（坐標(biāo)形式）確定 按機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型可分：直角坐標(biāo)系式機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)系式機(jī)械手、極坐標(biāo)式機(jī)械手、關(guān)節(jié)式機(jī)械手。 直角坐標(biāo)式機(jī)械手：臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)，亦臂部可以前后伸縮，左右移動(dòng)，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(dòng)線配合。 極坐標(biāo)式機(jī)械手：手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X方向運(yùn)動(dòng)，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦手臂可前后伸縮，上下擺動(dòng)，左右移動(dòng)。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(jī)械手：這種機(jī)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(jī)體的連接均為關(guān)節(jié)式連接，亦小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)一定角度，大臂可繞肩部擺動(dòng)一定角度，手臂可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)械手：這種機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)由兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合而成，手臂沿X、Z方向的移動(dòng)，還有手臂的水平回轉(zhuǎn)。此種機(jī)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(jiǎn)單，定位進(jìn)度高，應(yīng)用比較廣泛，多為通用型。 因此本次設(shè)計(jì)我選用直角坐標(biāo)系機(jī)械手。 機(jī)械手方案簡(jiǎn)圖如下： 運(yùn)動(dòng)符號(hào)： 四、機(jī)械手各組成部件設(shè)計(jì)計(jì)算 （一）抓取機(jī)械設(shè)計(jì) 1.抓取機(jī)械機(jī)構(gòu)的基本要求 要有足夠的夾緊力，在確定手指的握力時(shí)，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(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)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(jìn)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(jī)械手在運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響要求是有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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?jìng)髁?。機(jī)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(dòng)作，手指可以分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型、二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為例，而二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指。同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變?yōu)闊o(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就變?yōu)橐苿?dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛，移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，但移動(dòng)型手指夾持變化的零件時(shí)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(shí)，△誤差最小。 2.手爪夾緊力的計(jì)算 本次設(shè)計(jì)中采用外夾式手爪，如下圖所示： 手爪夾緊力的計(jì)算： 作用在單個(gè)手指上的作用力1.732G/F根據(jù)抓重大小來(lái)安排裝配手指的方法。 計(jì)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(yùn)動(dòng)時(shí)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(shí) V鉗口 水平位置放，水平位置夾時(shí) 平鉗口 垂直放，水平夾時(shí) 水平放，垂直位置夾時(shí) V鉗口 水平放，垂直位置夾時(shí) 平鉗口 垂直夾，垂直放時(shí) 水平位置夾懸臂工件 3.手爪的驅(qū)動(dòng)裝置的選擇與驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 目前機(jī)械手常用的驅(qū)動(dòng)方式如前所述，也有其他特殊的驅(qū)動(dòng)方式，如：步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，但應(yīng)用不多。所有方式中，最常用的為液壓、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，下面僅對(duì)這兩種方式進(jìn)行比較選擇。 液壓驅(qū)動(dòng)：液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，能直接與被動(dòng)的桿件相連，，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度，目前多用于機(jī)器人系統(tǒng)。 氣壓驅(qū)動(dòng)：氣壓驅(qū)動(dòng)的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但與液壓驅(qū)動(dòng)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，環(huán)境要求無(wú)污染，材料經(jīng)費(fèi)相對(duì)短缺，精度和穩(wěn)定性要求不是很高，啟動(dòng)力矩小，慣性小，尺寸小，只許點(diǎn)位控制且功率小，終上所述，所以選用液壓驅(qū)動(dòng)。 （二）手腕機(jī)構(gòu) 1.手腕的作用和動(dòng)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(dú)立的自由度以便機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求，手腕運(yùn)動(dòng)有力軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)它稱為左右擺動(dòng)。 手腕的基本運(yùn)動(dòng)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)。目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(jì)時(shí)除應(yīng)滿足啟動(dòng)和傳遞過(guò)程中所需的傳動(dòng)力矩外，還要求手腕的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、輕巧。另外，通過(guò)手腕氣缸的管道盡量從手臂的內(nèi)部通過(guò)，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管道不扭轉(zhuǎn)、不外露、使外型整齊。而考慮到本次設(shè)計(jì)對(duì)手腕的外觀要求不高，回轉(zhuǎn)角度比較小的實(shí)際情況下，可以把氣缸管道安排在外部。 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： （Kg·cm） ——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 ——慣性力矩 ——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐孔處的摩擦阻力矩 ——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的重量對(duì)軸線產(chǎn)生的偏重力矩 （1）手腕加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角度W，啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間t。 ——手爪、手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ——工件對(duì)轉(zhuǎn)軸中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度變動(dòng)量（可取最大值） ——變動(dòng)時(shí)間1～5s （2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)工件時(shí)工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)軸承為軸頸直徑，滾動(dòng)軸承為滾子中心直徑 本次設(shè)計(jì)沒(méi)有采用手腕部分，此舉僅供參考。 （三）手臂設(shè)計(jì) 1.機(jī)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(yùn)動(dòng)要穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)要美觀，使用安全，維護(hù)方便，造價(jià)經(jīng)濟(jì)。 2.為滿足基本要求而采取的機(jī)構(gòu)、工藝性措施 手臂是機(jī)械手執(zhí)行機(jī)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(jī)械手臂有三個(gè)自由度，即手指伸縮、手臂的左右回轉(zhuǎn)和上下運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(jī)械手的工作性能。所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量，運(yùn)動(dòng)形式，運(yùn)動(dòng)速度及定位精度的要求來(lái)設(shè)計(jì)手臂的機(jī)構(gòu)形式。 3.手臂伸縮運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 按手臂的結(jié)構(gòu)形式分：?jiǎn)伪?、雙臂及懸掛式。按手臂的運(yùn)動(dòng)分：手臂有直線運(yùn)動(dòng)的，如：手臂的左右回轉(zhuǎn)，上下擺動(dòng)；有復(fù)合運(yùn)動(dòng)，如：直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)組合，兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合。 a.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式如下圖： b.驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)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(zhǎng)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(shí)間0.1～0.5 （2）伸縮運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式與結(jié)構(gòu)： 液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)手臂的結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上，應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件上的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 單導(dǎo)向桿： 采用單導(dǎo)向桿的結(jié)構(gòu)通常比較簡(jiǎn)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(duì)稱性，否則手臂會(huì)在運(yùn)動(dòng)是發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，造成手臂的轉(zhuǎn)位誤差，由于本次設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)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(jì)中，對(duì)機(jī)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(jī)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(duì)抓取較大的手臂采用四導(dǎo)向桿，以加強(qiáng)剛性，在本次設(shè)計(jì)中，由于機(jī)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(jī)械手的正常工作，考慮到傳動(dòng)的平穩(wěn)性，但由于為實(shí)驗(yàn)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(jī)械手根據(jù)工作條件和實(shí)際可能，選用燕尾型的滑枕進(jìn)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(jì)中，由于要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，故均不予考慮。 （3）導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)動(dòng)力管路設(shè)計(jì) a.管路的類型 管路的類型可分為活動(dòng)軟管、伸縮油管等。 b.管路類型的特點(diǎn)及說(shuō)明 活動(dòng)軟管的特點(diǎn)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(diǎn)是：安全性好、外觀整齊、但工藝性差。 （4）手臂伸縮驅(qū)動(dòng)力的計(jì)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(zhǎng)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(shí)間0.1～0.5 （5）伸縮機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 4.手臂升降運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式 機(jī)械手手臂的升降運(yùn)動(dòng)屬于直線運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(jī)構(gòu)，絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。 a.液壓缸（油缸） 實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)可采用液壓式或氣壓式驅(qū)動(dòng)的活塞油缸，由于活塞油缸的體積小，重量輕，因而在機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。本次設(shè)計(jì)采用活塞氣缸推動(dòng)一塊能沿導(dǎo)向桿移動(dòng)，此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，受力也簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)平穩(wěn)。 b.活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu) 在手臂的升降運(yùn)動(dòng)中，為了使手臂移動(dòng)的距離和速度有定值的增加，可以采用齒輪齒條傳動(dòng)的倍增機(jī)構(gòu)，在要求工作行程大，運(yùn)動(dòng)速度快的沖壓機(jī)械手上常用此機(jī)械手作為手臂升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在本設(shè)計(jì)中不予考慮。 c.絲桿螺母機(jī)構(gòu) 絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)其位移具有較高的準(zhǔn)確性，由于絲桿螺母機(jī)構(gòu)是連續(xù)的面接觸，傳動(dòng)中不會(huì)產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪聲，并能自鎖，因?yàn)榻z桿螺母螺旋升角較小，所以用較小的驅(qū)動(dòng)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(dòng)摩擦，故傳動(dòng)效率低，如果采用滾珠絲桿可提高效率，而且傳動(dòng)精度和定位精度均提高，在傳動(dòng)時(shí)靈敏讀和平穩(wěn)性也很好，由于磨損小，使用壽命較長(zhǎng)，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(jì)中不予考慮。 d.活塞桿和連桿機(jī)構(gòu) 由活塞桿驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，使手臂實(shí)現(xiàn)升降運(yùn)動(dòng)，并可以獲得較大的行程。 綜上所述，本設(shè)計(jì)中選取液壓缸。 液壓缸的選用：要考慮到壓力、流量、活塞的運(yùn)動(dòng)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(qiáng)p=P/A 最高允許壓力，也是動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)壓力，是液壓缸在瞬間所能承受的極限壓力。各國(guó)規(guī)范通常規(guī)定為≤1.5PN MPa 液壓缸的壓力等級(jí)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(yùn)動(dòng)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(qiáng)度，能長(zhǎng)期承受最高工作壓力及短期動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)期工作而磨損小，尺寸公差等級(jí)和形位公差等級(jí)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(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)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(zhǎng)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(shí)間0.1～0.5 （3）手臂機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算 W——手臂重力，下降為主動(dòng)力用“-”上升為阻力用“+” 5.手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式分為：葉片式擺缸直接驅(qū)動(dòng)、擺缸與行星齒輪的驅(qū)動(dòng)方式、齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)方式和直缸直接推動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式。 它們的優(yōu)點(diǎn)是：葉片式擺缸直接驅(qū)動(dòng)優(yōu)點(diǎn)是機(jī)構(gòu)緊湊、速度調(diào)整方便；缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)角度小于360°，內(nèi)泄漏大。擺缸和行星齒輪驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是傳動(dòng)平穩(wěn)，齒輪齒條驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是回轉(zhuǎn)角度大、驅(qū)動(dòng)力大；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)尺寸大。 （2）回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩及其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要零部件力學(xué)計(jì)算 a. （N·M） G——手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)慣量為： Jc≈md/4 M——質(zhì)量 D——回轉(zhuǎn)直徑 b. f=0.1（滑動(dòng)） ΣN——兩支點(diǎn)上反力總和 ——摩擦點(diǎn)到回轉(zhuǎn)中心的距離 G×p=N×H 6.手臂設(shè)計(jì)的綜合評(píng)價(jià) 從手臂的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)力裝置、外形尺寸、工藝性、經(jīng)濟(jì)性、標(biāo)準(zhǔn)化等諸方面分析，突出重點(diǎn)。 從手臂的結(jié)構(gòu)形式來(lái)分可分為：手爪、手臂、手腕、立柱、行走機(jī)構(gòu)等。手臂的動(dòng)力裝置為液壓驅(qū)動(dòng)，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(jì)合理，零件加工方便。 （四）緩沖裝置設(shè)計(jì) 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(guò)吸收動(dòng)能實(shí)現(xiàn)緩沖 回轉(zhuǎn)物件： 移動(dòng)物件： 彈性能： ：彈性最大工作載荷 ：最大變形 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)要求： 緩沖腔內(nèi)油液要能吸收運(yùn)動(dòng)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(jī)械手對(duì)運(yùn)動(dòng)的要求。 設(shè)計(jì)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(jì)算緩沖時(shí)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(jìn)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(dòng)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 1.定位方式的選擇確定 定位機(jī)構(gòu)分機(jī)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(shí)施緩沖，使速度趨于零，實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇 1.驅(qū)動(dòng)方式的選擇 驅(qū)動(dòng)方式可分為：電動(dòng)、液動(dòng)、氣動(dòng)、機(jī)械聯(lián)動(dòng)等。 2.下面是液動(dòng)與氣動(dòng)方式特點(diǎn)的比較 液壓驅(qū)動(dòng)：液壓驅(qū)動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是功率大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可省去減速裝置，能直接與被動(dòng)的桿件相連，響應(yīng)快，伺服驅(qū)動(dòng)具有較高的精度，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)不緊湊，出力小，噪音大。適用于沖壓加工，單機(jī)自動(dòng)化機(jī)械。 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)：氣壓驅(qū)動(dòng)的能源、結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，但與液壓驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)相比，同體積條件下，功率較?。ü虊旱祝?，且速度不易控制。 五、機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.機(jī)械手的控制方式的選擇 機(jī)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(diǎn) 簡(jiǎn)易工業(yè)機(jī)械手選用的控制方式為電控，它的特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度快，穩(wěn)定性好，成本底，便于維修。 六、設(shè)計(jì)總結(jié) 經(jīng)過(guò)半年多的畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，設(shè)計(jì)期間，指導(dǎo)老師教會(huì)了我該如何設(shè)計(jì)圖紙，當(dāng)中包括元件的選用，圖紙的設(shè)計(jì)步驟。機(jī)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(diǎn)，使我受益匪淺。 設(shè)計(jì)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?jiān)O(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)，通過(guò)資料，讓我發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙不可以隨心所欲，必須根據(jù)國(guó)家、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，否則設(shè)計(jì)的圖紙就會(huì)有錯(cuò)誤。 通過(guò)這次設(shè)計(jì)，使我了解到，自動(dòng)控制的對(duì)象主要是單機(jī)或某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程；自動(dòng)控制的目標(biāo)是使在系統(tǒng)控制的某個(gè)狀態(tài)下，盡量消除環(huán)境對(duì)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(jì)中的優(yōu)點(diǎn)是手臂可以沿直角坐標(biāo)的X、Z方向移動(dòng)，有可以繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦手臂可以前后伸縮，上下升降和左右移動(dòng)。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(yùn)動(dòng)要穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)要美觀，使用安全，維修方便，造價(jià)經(jīng)濟(jì)。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是模仿人手的動(dòng)作，生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn)率，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，保證生產(chǎn)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)，尤其在惡劣的勞動(dòng)條件下，它代替人作業(yè)的意義更加重大，因此，將在機(jī)械加工中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) 1.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三版第1～4卷 化學(xué)工業(yè)出版社 2.《機(jī)械設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)》第2卷 機(jī)械工業(yè)出版社 3.《畫法幾何及機(jī)械制圖》第四版 高等教育出版社 4.《液氣壓傳動(dòng)》 機(jī)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