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1 緒論 機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。 1.1 研究目的及意義 工業(yè)機械手具有許多人類無法比擬的優(yōu)點，滿足了社會化大生產的需要，其主要優(yōu)點如下： 1.能代替人從事危險、有害的操作。只要根據工作環(huán)境進行合理設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y構，機械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有強烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，應推廣工業(yè)機械手或機器人。 2.能長時間工作，不怕疲勞，可以把人從繁重單調的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機械手只要注意維護、檢修，即能勝任長時間的單調重復勞動。 3.動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產品的質量，同時又可避免人為的操作錯誤。 4.機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性、靈活性好，能較好地適應產品品種的不斷變化，以滿足柔性生產的需要。 5.機械手能明顯地提高勞動生產率和降低成本。 由于機械手在工業(yè)自動化和信息化中發(fā)揮了以上巨大的作用，世界各國都很重視工業(yè)機械手的應用和發(fā)展，機械手的應用在我過還屬于起步階段，就顯示出了許多的無法替代的優(yōu)點，展現(xiàn)了廣闊的應用前景。近十幾年來，機械手的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。 1.2 本課題研究內容 要求本設計能較鮮明地體現(xiàn)機電一體化的設計構思。所謂機電一體化，是機械工程技術吸收微電子技術、信息處理技術、傳感技術等而形成的一種新的綜合集成技術。盡管機電一體化的產品名目繁多，并由于它們的功能不同而有不同的形式和復雜程度，但做功的機械本體部分（包括動力裝置）和微點自控制部分（包括信息處理）是最基本的、必不可少的要素。 本設計要求完成以下工作： 1、 擬定整體方案，特別是控制方式與機械本體的有機結合的設計方案。 2、 根據給定的自由度和技術參數(shù)選擇合適的手部、腕部和臂部的結構。 3、 各部件的設計計算。 4、 機械手工作裝配圖的設計與繪制。 5、 液壓系統(tǒng)圖的設計與繪制。 6、 編寫設計計算說明書。 2 機械手的總體設計 2.1 工業(yè)機械手的組成 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關系如圖2.1所示。 圖2.1 機械手的組成 2.1.1 執(zhí)行機構 1.手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型(為回轉型，因其結構簡單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可用負壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 2.腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉三個運動。如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的工業(yè)機械手沒有腕部自由度。 3.臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是帶動手指去抓取物體，并按預定要求將其搬到預定的位置。手臂有三個自由度，可采用直角坐標（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標（前后、上下直線往復運動和左右旋轉），球坐標（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉）和多關節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。 直角坐標占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點是結構簡單、剛度高，在自由度較少時使用。圓柱坐標占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標式和多關節(jié)式占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物體，多關節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關節(jié)式結構復雜，所以也不常用。 2.1.2 驅動機構 有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結構簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復定位精度，但臂力一般在300N以下。液動式的出力大，臂力可達 1000N 以上，且可用電液伺服機構，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內。目前常用的是氣動和液動驅動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。 2.1.3 控制系統(tǒng) 有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特征。 2.2 關節(jié)型機械手的主要技術參數(shù) 1.抓重： 300N 2.自由度： 4個 3.坐標形式：圓柱坐標 4.手臂運動參數(shù) 運動名稱 符號 行程范圍 速度 伸縮 X 400mm 小于250mm/s 升 降 Z 300mm 小于70mm/s 回轉 ψ 0°~210° 小于90 (°)/s 5.手腕參數(shù) 運動名稱 符號 行程范圍 速度 回轉 ω 0°~180° 小于90 (°)/s 6.手指夾持范圍：棒料，直徑50~70mm，長度450~1200mm 7.定位方式：電位器設定，點位控制 8.驅動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)） 9.定位精度：±3mm 10.控制方式：可編程控制 2.3 圓柱坐標式機械手運動簡圖 經過考慮，本設計的機械手設計成如下簡圖形式： 圖2.2 圓柱坐標式機械手 3 關節(jié)型機械手機械系統(tǒng)設計 3.1 手部 手部（亦稱抓取機構）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機械手的手部結構多種多樣，大部分的手部結構是根據特定的工件要求而定的。歸結起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。 根據設計要求，這里只討論夾鉗式的手部結構。 夾鉗式手部是由手指、傳動機構和驅動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下，多采用兩個手指。驅動裝置為傳動機構提供動力，驅動源有液壓的、氣動的和電動的等幾種形式。常見的傳動機構往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構實現(xiàn)夾緊或放松。 平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，適于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時，不會引起中心位置的偏移。但這種手指結構比較復雜、體積大，要求加工精度高。根據設計要求，工件是圓盤，所以采用回轉型手指，其張開和閉合靠手指根部（以樞軸支點為中心）的回轉運動來完成。樞軸支點為一個的，稱為單支點回轉型；為兩個支點的，稱為雙支點回轉型。這種手指結構簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產生夾持定位誤差。 本設計要求抓取棒料，故采用夾鉗式手部。 3.1.1 夾緊力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是計算手部的主要依據。必須對其大小、方向和作用力進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產生的載荷（慣性力或慣性力矩），以及工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下式計算： F≥K1K2K3G 式中K——安全系數(shù)，通常取1.2~2.0; K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。K2可近似按下式估算 K2=1+ 其中a—運載工件時重力方向的最大上升速度； g—重力加速度，g ≈ 9.8m/s; a= ——運載工件時重力方向的最大上升速度； t——系統(tǒng)達到最高速度的時間；根據設計參數(shù)選取。一般取0.03~0.5s。 K——方位系數(shù)，根據手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定。 G—被抓工件所受重力（N）。 3.1.2夾緊缸驅動力計算 如圖是液壓夾緊裝置。手爪殼和缸殼連成一體，當壓力油從液壓缸右邊油管進油時，活塞桿向左移動，推動手爪閉合；當壓力油從液壓缸左邊進油時，拉動手爪張開。 缸的拉力（或推力）（N）為： 式中 D—活塞直徑（）; ——活塞桿直徑（）; ——驅動壓力（）。 圖3.1 液壓缸驅動裝置 3.1.3 兩支點回轉型手指的夾持誤差分析與計算 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差有關。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，避免差生手指夾持的定位誤差，必須選用合理的手部機構參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內。 圖3.2 兩支點回轉型手指 若把工件軸心位置C到手爪兩支點連線的垂直距離CD以X表示，根據幾何關系有： X=lAB2+(Rsinθ)2-2lABRsinθcosβ-a2 對于兩支點回轉型手爪（尤其當a值較大時），偏轉角β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BE和B′E′邊平行，抓不著工件。為了避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑Rcp，以∠BCD=90°為條件確定兩支點回轉型手爪的偏轉角，即β為： β=cos-1（Rcpsinθ－a）1lAB 工件平均半徑 Rcp=50+704=30mm 取手指lAB為2倍的工件平均半徑 lAB=2Rcp=2×30mm=60mm 取V型夾鉗的夾角2θ=120°，取a=12mm 則β=cos-1（Rcpsinθ－a）1lAB=cos-1（30sin60°-12）160=67.83° 計算 R0=lABsinθcosβ=60×sin?60°cos67.83°=19.61mm Δ=|lAB2+Rmaxsinθ2-2lABRmaxsinθcosβ-a2-lAB2+Rminsinθ2-2lABRminsinθcosβ-a2| =|602+(35sin60°)2-2×6035sin60°cos67.83°-122- 602+(25sin60°)2-2×6025sin60°cos67.83°-122| =|57.09-54.60| =2.49mm 因為題目要求定位精度為±3mm,所以設計滿足要求。 設計結果： a=12mm lAB=60mm 2θ=120° β=67.83° X=lAB2+(Rsinθ)2-2lABRsinθcosβ-a2 =602+(30sin60°)2-2×6030sin60°cos67.83°-122=55.56mm 3.1.4 緊缸的計算 1、設K1=1.5，K3=1.05，工件垂直方向的移動速度為0.07ms，機械手達到最高速度的響應時間為0.5S，α=45°，則 K2=1+ ag=1+ 0.070.59.8=1.01 FN=K1K2K3G=1.5×1.01×1.05×3=477.23N 2、驅動力計算 F計算=2bacos2αFN =2×55.5612cos245°×477.23 =2209.57N 3、取η=0.85 F實際=F計算η=2209.570.85=2599.49N 4、確定液壓缸直徑D ∵ F實際=π4D2-d2p 選取活塞桿直徑d=0.5D，壓力油工作壓力p=30×105Pa ∴D=4F實際πp(1-0.52)=4×2599.49π×30×105×0.75=0.038m 根據液壓缸內徑系列（JB1086—67）選取液壓缸內徑為：D=40mm 則活塞桿直徑為： d=40×0.5=20mm 3.2 腕部 手腕部件設置于手部和臂部之間，它的作用主要是再臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。 手腕部件具有獨立的自由度。一般手腕設有回轉運動或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。目前，應用最廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度較?。ㄒ话阈∮?270o），并且要求嚴格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此，在要求較大或轉角的情況下，采用齒條齒輪傳動或鏈輪以及輪系結構。 3.2.1 腕部設計的基本要求 1、力求結構緊湊、重量輕 腕部處于臂部的最前端，它連同手部的精、動載荷均由臂部承受。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。 2、綜合考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構，有承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求以及具有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局。如應解決好腕部與臂部和手部的連接，腕部各個自由度的位置檢測，管線布置，以及潤滑、維修、調整等問題。 3、必須考慮工條件 對于高溫作業(yè)和腐蝕性介質中工作的機械手，其腕部在設計是應充分估計環(huán)境對腕部的不良影響（如熱膨脹、壓力油的粘度惡化燃點，有關材料及電控元件的耐熱性等）。根據以上幾點，結合設計要求，設計出腕部的結構如圖 3-2。其為典型腕部結構中具有一個自由度的回轉缸驅動的腕部結構。直接用回轉液壓（氣）缸驅動實現(xiàn)腕部的回轉運動，因具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。 圖3.3用一個回轉液壓缸實現(xiàn)腕部旋轉的結構 1——回轉液壓缸 2——手爪驅動液壓缸 3——左進油管 4——手部油管 5——右進油管 6——固定葉片 7——回轉軸 8——回轉葉片 9——缸體 圖3.3所示的為腕部結構，采用一個回轉液壓缸，實現(xiàn)腕部的旋轉運動。從 B-B剖視圖上可以看出，回轉葉片（簡稱動片）用螺釘、銷釘和轉軸 7 連接在一起，定片 6則和缸體 9 連接。壓力油分別由油孔 3、5 進出油腔，實現(xiàn)手部的旋轉。旋轉角的極限值由動片、定片之間允許回轉的角度來決定（一般小于 270°），圖示液壓缸可以回轉±90°。 圖示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅動液壓缸的油管是從回轉缸壁通過，然后通過一個環(huán)槽結構包圍手部夾緊缸，腕部回轉時，不論在哪個方位油路仍可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉液壓缸）由手臂內通過并經腕部回轉缸壁分別進入回轉液壓缸和手部驅動液壓缸。 3.2.2 腕部回轉力矩的計算 腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力。 1、腕部回轉支承處的摩擦力矩 M摩 一般為了簡化計算，取M摩=0.1M總阻力矩 2、克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏 M偏=G1e 式中 e——工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離（m）。 3、克服啟動慣性所需的力矩M慣 啟動過程近似等加速運動，根據手腕回轉的角速度ω及啟動所用時間t啟，按下式計算 M慣=(J+J工件)ωt啟 或者根據腕部角速度 ω 及啟動過程轉過的角度φ啟按下式： M慣=(J+J工件)ω22φ啟 式中 J工件 ——工件對手腕回轉軸線的轉動慣量（N?m?s2）； J ——手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量（N?m?s2）； ω ——手腕回轉過程的角速度（1/s）； t啟 ——啟動過程中所需時間（s），一般取 0.05-0.3s； φ啟 ——啟動過程所轉過的角度（rad）。 手腕回轉所需的驅動力矩相當于上述三項之和。 M總=M摩+M偏+M慣 如果手腕回轉部分的轉動慣量（ J+J工件）不是很大時，手腕啟動過程所產生的慣性力矩也不大，為了簡化計算可以將計算力矩M摩、M偏適當放大，而省略掉M偏 ，這時 M總=1.1(M摩+M偏) 具體計算過程如下 設：（1）手爪、手爪驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件為一個等效圓柱體，高為30cm,直徑為20cm,其所受重力為G=400N。 （2）摩擦阻力矩M摩=0.1M總 （3）啟動過程所轉過的角度φ啟=15°=0.262rad, 等速轉動角速度ω=90°s-1=1.571s-1 求 M慣=(J+J工件)ω22φ啟 J=12mR2= 12×4009.8×0.12=0.204 N?m?s2 J工件=112m(l2+3R2)=112×3009.8×(1.22+3×0.32)=4.362 N?m?s2 代入 M慣=0.204+4.3621.57122×0.262=21.506N?m?s2 M摩=0.1M總 M總=0.1M總+M慣=0.1M總+21.506 M總=21.5060.9=23.896 N?m 3.2.3 手腕回轉缸的設計計算 回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力距，為了使該機械手具有更好的通用性，以及與相應的機構尺寸相吻合，設回轉的基本尺寸如下： 回轉缸內徑 D=40mm 輸出軸與動片連接處的直徑d=10mm 動片寬度b=45mm 回轉液壓缸的工作壓力p=3MPa ∴ M驅=pb(R2-r2)2=3×106×0.015(0.0202-0.0052)2=25.31N?m 因為M驅>M總，所以是符合要求的。 3.3 臂部 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。 臂部的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，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，故受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機械手的工作性能。 由本機械手的總體設計可知該臂部分三部分：回轉缸、伸縮缸和俯仰擺動液壓缸。回轉缸實現(xiàn)的是手臂旋轉，伸縮缸實現(xiàn)的是手臂升降，俯仰缸實現(xiàn)的是手臂的俯仰。 3.3.1 手臂伸縮液壓缸 3.3.1.1 伸縮液壓缸的結構設計 經過整體考慮，手臂作直線運動的部分設計為雙導向桿手臂伸縮機構，其圖如下： 圖3.4 雙導向桿手臂伸縮機構 1——缸蓋 2——導向桿 3——活塞 4——缸體 5——活塞桿 6——導向套 從圖中可較清楚地看到手臂伸縮液壓缸的結構；導向桿 2 在導向套內移動，以防手臂伸縮時的轉動（小臂回轉，手腕回轉和手爪夾緊液壓缸用的輸油管道安裝在其內）。 由于手臂的伸縮缸安裝在兩根導向桿之間，由導向管承受彎曲作用，活塞桿只受軸向的拉力和壓力，故大大減少了活塞桿的受力，使傳動平穩(wěn)。 3.3.1.2 手臂伸縮液壓缸的設計計算 3.3.1.2.1作水平伸縮直線運動液壓缸的驅動力 F=F慣+F摩+F密+F回 式中 F摩——摩擦阻力。手臂運動時，為運動件表面的摩擦阻力。若是導向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。 F密——密封裝置處的摩擦阻力。 F回——液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力。 F慣——啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。 1）F摩的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據具體情況進行估算。 圖3.5 水平移動液壓缸受力圖 圖3.5為雙導向桿導向，其導向桿截面形狀為圓柱面，導向桿對稱配置在伸縮缸的兩側，啟動時，導向裝置的摩擦阻力較大，計算如下： 由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。 MA=0 G總L=aFRb 得 FRb=G總La Y=0 G總+FRb=FRa 得 FRa=G總(L+aa) F摩=Fa摩+Fb摩=μ'FRa+μ'FRb ∴F摩=μ'G總(2L+aa) 式中 G總——參與運動的零部件所受的總重力（含工作重力）（N）； L——手臂參與運動的零部件的總重量的重心到導向支承前端的距離（m）; a——導向支承的長度（m）； μ'——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支承的截面形狀有關。 對于圓柱面： μ'=（4π~π2）×μ=（1.27~1.57）μ μ——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時； 鋼對青銅：取μ=0.1~0.5 鋼對鑄鐵：取μ=0.18~0.3 取μ=0.2，設手爪、手爪驅動液壓缸及回轉液壓缸所受重力為G=400N，手臂伸縮液壓缸所受重力為G=150N，則G總=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，則 F摩=0.2×1.3×850(2×50+100100)=442N 2）F密的計算 不斷密封圈其摩擦阻力不同，此處選用“Y”形密封圈。 F密=μpπdl 式中 μ——摩擦系數(shù)，μ=0.06~0.08 P——密封處的工作壓力（Pa）； d——密封處的直徑（m） l——沿軸向的密封長度，相當于唇部的寬度（m）。 根據活塞桿的直徑選“Y”形密封圈型號為B16407ACM，內徑為16mm，唇部寬度為7mm，設密封處工作壓力為2.5MPa，則 F密=μpπdl=0.07×2.5×106×π×0.016×0.007=61.58N 3）F回的計算 一般背壓阻力較小，可按F回=0.05p,此處忽略不計。 4）F慣的計算 F慣=G總ΔνgΔt0.7 式中 G總——參與運動的零部件所受的總重力（包括工件重量）（N）； g——重力加速度，取9.8m/s2; Δν——由靜止加速到常速的變化量（m/s）； Δt——啟動過程時間（s），一般取0.01~0.5s。 已知Δν=0.07m/s，取Δt=0.5s ∴ F慣=850×0.079.8×0.5=12.14N 手臂作水平直線運動液壓缸的驅動力為 F=F慣+F摩+F密+F回=12.14+442+61.58+0=515.72N 3.3.1.2.2 手臂作升降運動的液壓缸驅動力 F=F慣+F摩+F密+F回±G 式中 F摩——摩擦阻力，如下圖所示。F摩=2F1f，取f=0.16 G——零部件及工件所受總重力。 其他阻力的計算與上相同，省略。 注意，須按h>0.32ρ計算不自鎖的條件。 圖3.6 手臂各部件重心位置圖 3.3.1.3 伸縮液壓缸的結構尺寸 3.3.1.3.1 液壓缸內徑的計算 圖3.7雙作用液壓缸示意圖 如圖3.7所示，當油進入無桿腔 F=F1η=pπD24η 當油進入有桿腔 F=F2η=pπ(D2-d2)4η 液壓缸的有效面積： S=F p1 固有 D=4Fπp1η=1.134Fηp1 （無桿腔） D=4Fπp1η+d2 （有桿腔） 式中 F——驅動力（N）； p1——液壓缸的工作壓力（Pa）； d——活塞桿直徑（m）； D——液壓缸內徑（m）； η——液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取η=0.95。 由總體設計知，手臂在收縮是液壓油進入的有桿腔，取η=0.95，則 D=4Fπp1η+d2=4×515.72π×2.5×106×0.95+0.0162=0.031m 由于前面的手部和腕部的液壓缸內徑都選的是40mm，為了使該機械手具有更好的通用性，這里也取D=40mm。 3.3.1.3.2液壓缸壁厚計算 初選壁厚δ=5mm，則： Dδ=405=8 因為16>Dδ>3.2時屬于中等壁厚，所以該壁厚屬于中等壁厚，計算公式為： δ=p1D(2.3[σ]-p1)φ+C 式中 p1——液壓缸內工作壓力（Pa）； φ——強度系數(shù)（當為無縫鋼管時φ=1）； C——讓管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標準壁厚值； D——液壓缸內徑（m）。 該鋼臂為無縫鋼管，則 δ=p1D(2.3[σ]-p1)φ+C=2.5×106×0.04(2.3×100×106-2.5×106)+C=0.001mm 所以選取的壁厚滿足條件。取標準液壓缸外徑為50mm，則壁厚為5mm。 3.3.1.3.3 塞桿的計算 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度的要求。對于桿長l大于直徑d的15倍（即l>15d）的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。 ①按強度條件決定活塞桿直徑d d≥4Fπ[σ]=4×515.72π×100×106=0.002m 所以d=16mm是滿足要求的。 ②活塞桿的穩(wěn)定性校核 當活塞桿l>15d時，一般應進行穩(wěn)定性校核。因為此處活塞桿長度為200mm，直徑為16mm，200/16<15，所以這里不用進行活塞桿的穩(wěn)定性校核。 3.3.1.3.4 螺釘?shù)挠嬎? 為了保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距t1，查表知，間距應小于100mm，設螺釘數(shù)目為4個。 表3.1 間距t1與壓力p的關系 工作壓力p1（MPa） 螺釘間距t1（mm） 0.1~1.5 <150 1.5~2.5 <120 2.5~5.0 <100 5.0~10.0 <80 在這種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力FQ0為工作載荷FQ和預緊力FQ's之和 FQ0=FQ+FQs' 式中 FQ=FZ=πD24pZ F——驅動力（N） Z——螺釘數(shù)目 p——工作壓力（Pa） FQs'——預緊力FQs'=KFQ0 K＝1.5~1.8 D——危險剖面直徑（m） 螺釘?shù)膹姸葪l件為 σ合=1.3FQ0πd124=4FQjπd12≤[σ] d1≥4FQjπ[σ] 式中FQ0——計算載荷（N）； FQj=1.3FQ0 抗拉許用應力（單位為MPa）[σ]=σsn n=1.2~2.5 d1——螺紋內徑（mm） σs——螺釘材料屈服極限 設螺釘?shù)牟牧蠟?5號鋼，查得σs=360MPa，經過計算得d1≥4.4mm，取螺釘型號為M5。 表3.2螺釘材料的屈服極限 鋼號 10 Q215 Q235 35 45 40Cr σsMPa 210 220 240 320 360 650~900 3.3.2手臂回轉液壓缸 3.3.2.1手臂回轉液壓缸結構設計 經考慮，手臂回轉液壓缸設計成如下形式： 圖3.8 手臂回轉液壓缸 1——缸體 2——鍵 3——動片 4——左油孔 5——定片 6——右油孔 圖3.8所示的手臂結構，采用一個回轉液壓缸實現(xiàn)旋轉運動。從 A-A剖視圖上可以看出，回轉葉片（簡稱動片）用鍵 2 和轉軸連接在一起，定片 5 和缸體 1用銷釘和螺釘連接。壓力油分別由油孔 4、6 進出油腔，實現(xiàn)手部的旋轉。旋轉角的極限值由動片、定片之間允許回轉的角度來決定（一般小于 270°）。 3.3.2.2手臂回轉時所需的驅動力矩 手臂回轉時，需要克服以下幾種阻力： 1、回轉處的摩擦阻力M摩，一般為了簡化計算，取M摩=0.1M總 2、啟動慣性所需的力矩M慣 M慣=（J+J工件）ω22?啟 式中 J——手臂回轉部分對軸線的轉動慣量（Nms2） J工件——工件對回轉軸線處的轉動慣量（Nms2） ω——手臂回轉過程的角速度（1/s） ?啟——啟動過程所轉過的角度（rad） M總=M摩+M慣 具體計算過程如下： 設：①手爪、手爪驅動液壓缸、手腕回轉液壓缸以及手臂伸縮液壓缸等效為一個圓柱體，高40cm，直徑為20cm，其所受重力為550N； ②摩擦阻力矩M摩=0.1M總； ③啟動過程所轉過的角度?啟=18°=0.314rad，等速轉動角速度ω=90°/s=1.57s-1 轉動慣量計算為： J=m(l2+3R2)12=550(0.42+3×0.12)9.8×12=0.89（Nms2） J工件在手腕部分已算過，J工件=4.362（Nms2） 代入： M慣=（J+J工件）ω22?啟=（4.362+0.89）1.5722×0.314 =20.61（Nm） M摩=0.1M總 M總=0.1M總+20.61 M總=20.610.9=22.9（Nm） 3.3.2.3手臂回轉液壓缸的設計計算 回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力距，為了使該機械手具有更好的通用性，以及與相應的機構尺寸相吻合，設回轉的基本尺寸如下： 回轉缸內徑 D=40mm 輸出軸與動片連接處的直徑d=10mm 動片寬度b=45mm 回轉液壓缸的工作壓力p=3MPa ∴ M驅=pb(R2-r2)2=3×106×0.015(0.0202-0.0052)2=25.31N?m 因為M驅>M總，所以是符合要求的。 3.3.2.4缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 由于在計算手臂伸縮液壓缸過程中已經行過缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，此處的計算與上面相同，故不再贅述。 4 機械手的液壓驅動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 60 年代初到現(xiàn)在，已自機械手中獲得廣泛應用。它的優(yōu)點是：動力大、力（或力矩）慣性比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等。 液壓系統(tǒng)在機械手中所起的作用是通過電—液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置和速度的控制，進而控制機械手的手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動液壓缸。用于實現(xiàn)手臂的伸縮升降以及手腕、手臂的回轉。 4.1 程序控制機械手的液壓系統(tǒng) 這類機械手屬于非伺服控制機械手，在只有簡單搬運動作業(yè)功能的機械手中，常常采用簡單的邏輯控制裝置或編程控制，對機械手實現(xiàn)有限位的控制。這類機械手的液壓系統(tǒng)設計與其它液壓機械設計所考慮的問題大致相同，只是在以下方面須加以重視。 1）液壓缸設計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減少摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。 2）定位點的緩沖與制動：因機械手手臂的運動慣量較大，在定位點前要加緩沖與制動機構或鎖緊裝置。 3）對慣性較大的運動軸和接近機械手末端的腕部運動軸的液壓缸兩側，最好加設安全保護裝置，防止因碰撞過載損壞機械結構。 4.2 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 4.2.1各液壓缸的換壓回路 為便于機械手的自動控制，如采用可編程序控制器或微機進行控制，從總體方案設計中可知系統(tǒng)系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般都選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經濟效益。 液壓機械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂俯仰、手臂旋轉等機構采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥需采用中位“O”型換向閥。 合本設計方案，所有液壓缸都采用“O”型電磁換向閥，如圖4.1所示： a) b) c) 圖4.1 a) ——伸縮缸，b) ——升降缸，c) ——回轉缸 4.2.2 調速方案 整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設計要求的。盡管有的液壓缸是單一速度工作，但也需要進行節(jié)流調速，用以保證液壓缸的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進油路或回油路節(jié)流調速，因為系統(tǒng)為中低壓系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調速。 在一般情況下，機械手的各個部位是分別動作的，手臂回轉缸、手腕回轉缸和夾緊缸所需的流量較為接近，手臂伸縮缸的流量較大，這兩組缸所需的流量相差較大，這樣可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可選擇雙泵供油系統(tǒng)，本設計選擇單泵供油系統(tǒng)。 單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。優(yōu)點是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經濟性好。 圖4.2 單泵供油系統(tǒng) 4.2.3 減速緩沖回路 通用工業(yè)機械手要求可變行程，在液壓缸的起動和停止的過程中都需要緩沖。如圖所示采用一個二位二通電磁換向閥和一個節(jié)流閥形成緩沖回路。當液壓缸運動到希望點時，由位置檢測裝置發(fā)信號給主機，然后主機控制電磁閥 1YA 通電切斷二位二通的通路，液壓缸的回路改經節(jié)流閥回油箱，增大的回油路的阻力，使液壓缸速度減慢，防止沖擊達到緩沖目的，這種回路也適用于擺動缸。 圖4.3回油節(jié)流緩沖回路 4.3 液壓系統(tǒng)的合成 在上述主要液壓回路選好后，再加上其它功用的輔助油路（如卸荷、測壓等油路），就可以進行合并，完善為完整的液壓系統(tǒng)，并編制液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表。 完整的液壓原理圖和電磁鐵動作順序表如下所示： 圖4.4 完整的液壓原理圖 表4.1電磁鐵動作順序表 電磁鐵 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 手臂伸縮 伸出 + + + + + + 伸出緩沖 縮回 縮回緩沖 手臂回轉 正轉 + + + + + + 正轉緩沖 反轉 反轉緩沖 手臂升降 伸出 + + + + + + 伸出緩沖 縮回 縮回緩沖 手腕回轉 正轉 + + + + + + 正轉緩沖 反轉 反轉緩沖 手爪 夾緊 + + 松開 原位卸荷 + 5 機械手的可編程控制 工業(yè)機械手的電器控制系統(tǒng)相當于人的大腦，它指揮機械手的動作，并協(xié)調機械手與生產系統(tǒng)之間的關系。機械手的工作順序、應達到的位置，如手臂上下移動、伸縮、回轉及擺動、手腕上下、左右擺動和回轉、手指的開閉動作，以及各個動作的時間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運動部件沿各坐標軸的動作按照預先整定好的程序來實現(xiàn)的。 不論自動電氣控制裝置復雜程度如何，對于生產線及各種功能的機械手來說，一般都要求電氣控制系統(tǒng)按照預先規(guī)定的動作程序進行順序控制。 隨著工業(yè)生產的不斷發(fā)展以及工業(yè)機械手技術的不斷成熟，可編程控制器被廣泛應用，它的優(yōu)點是運行穩(wěn)定、編程方法簡單易學、功能強，性能價格比高、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強、無觸點面配線，可靠性高，抗干擾能力強、系統(tǒng)的設計、安裝、調試工作量少、維修工作量小，維修方便，體積小，能耗低。所以該機械手采用 PLC 控制。 5.1 輸入輸出觸點的分配 5.1.1 行程開關的分配 1、推動手臂回轉的回轉液壓缸 手臂正轉限位：ST1 手臂反轉限位：ST2 2、推動手臂升降的直動液壓缸 手臂上升限位：ST3 手臂下降限位：ST4 3、推動手臂伸縮的直動液壓缸 手臂伸出限位：ST5 手臂縮回限位：ST6 4、推動手腕回轉的回轉液壓缸 手腕正轉限位：ST7 手腕反轉限位：ST8 5、推動手爪夾緊的直動液壓缸 手爪松的夾緊缸開由結構限位限位，故不需要限位開關 5.1.2 手動按鈕的分配 1、手臂回轉控制 手臂正轉：SB1 手臂反轉：SB2 手臂回轉緩沖：SB11 2、手臂升降控制 手臂上升：SB3 手臂下降：SB4 手臂升降緩沖：SB12 3、手臂伸縮控制 手臂伸出：SB5 手臂縮回：SB6 手臂伸縮緩沖：SB13 4、手腕回轉控制 手腕正轉：SB7 手腕反轉：SB8 手腕回轉緩沖：SB14 5、手爪夾緊控制 手爪夾緊：SB9 手爪松開：SB10 6、其他 啟動：SB15 回原點：SB16 連續(xù)：SB17 點位控制：SB18 停止：SB19 5.1.3 輸入輸出繼電器的分配 1、輸入輸出元件號均用八進制數(shù)表示，上述每一個行程開關和手動按鈕都對應一個輸入繼電器，則輸入觸點分配如下： ST1-ST8:X0-X7(按順序一一對應)。 SB1-SB17:X10-X32(按順序一一對應)。 2、輸出觸點分配如下： 每個電磁閥對應一個輸出繼電器，則1YA－14YA：Y0-Y16 (按順序一一對應)。 5.2 外部接線圖 根據觸點數(shù)目，此處選用FX2N-64型可編程控制器，外部接線圖如圖5.1所示： 圖5.1 外部接線圖 5.3 控制面板設計 此面板提供了一個人機交互的界面，當該機械手需要調試和維修的時候就會用到它。當然，當生產線有暫停的時候，也需要人為的停止和起動。所有的手動按鈕都要設定在控制面板上。 圖5.3 控制面板圖 5.4 狀態(tài)控制圖 該機械手在每個周期內需要完成上料、進入下一工位、翻轉工件、回到原點4個主要步驟，如圖5.4所示 圖5.4狀態(tài)流程簡圖 將每一個主要步驟拆開來，可以得到狀態(tài)流程詳圖，如圖5.5所示： 圖5.5狀態(tài)流程詳圖 5.5梯形圖 根據狀態(tài)流程詳圖和外部接線圖得出如下5.6所示梯形圖 圖5.6 梯形圖 結 論 經過兩個多月的馬拉松式的緊張設計，隨著這份《說明書》的收筆也即將告捷?；叵肫鹪O計的過程，酸甜酸苦辣一言難盡。雖然時間的緊迫和就業(yè)的壓力始終徘徊在設計的過程中，但畢竟收獲的喜悅還是勝過了工作的幸勞。非常慶幸能在畢業(yè)之際交上一份令自己滿意的答卷。 本次畢業(yè)設計課題內容覆蓋面廣。涉及到機械等主干課程，通過認真實習、調查、分析、研究、查閱大量參考資料，順利地完成了此次的畢業(yè)設計。這次的設計中，我也發(fā)現(xiàn)自己在基礎課和專業(yè)課上存在的缺陷，在周老師的悉心指導和同組同學的幫助下，我也逐漸地彌補自己的缺陷，努力將自己的設計做好。 通過此次畢業(yè)設計，我了解和掌握了機械手設計的基本要求、步驟、方法及應考慮的有關問題，并鞏固和深化了大學四年中幾乎所有專業(yè)知識，培養(yǎng)了科學的思維、工作方式和理論聯(lián)系實際的能力，更是體會到了相互協(xié)作的工作精神，給即將踏上工作崗位的我們起到一次很好地實戰(zhàn)練兵演習，為將來的工作打下基礎。 在本次設計中，由謝衛(wèi)容老師指導。謝老師老師工作細致，嚴謹治學，在設計中給予我了極大的幫助，指導我完成工作。謝老師教給我們一些做事的道理，在以后的生活工作中都是非常有用的，在此表示深沉地謝意！同時，借此機會謹向教誨過我的老師們表示深深地謝意；向在身后一如既往地支持我的父母表示深深地謝意；向在設計過程中關心和幫助我的同學表示深深地謝意！ 由于本人設計經驗不足，不妥之處在所難免，水平亦有限，懇請各位老師批評指正。 致 謝 經過兩個多月緊張的工作，我的畢業(yè)設計終于做完了。在這里，我首先要感謝我的畢業(yè)設計指導老師謝衛(wèi)容老師。 我從今年4月份開始在武漢市海波鋼結構工程有限公司工作，這里沒有雙休，并且經常加班，每天工作完后感覺很累，什么都不想做，所以畢業(yè)設計的進度很慢，這期間如果不是謝老師的督促和鼓勵，我想我是很難完成這次畢業(yè)設計的。在剛拿到“關節(jié)型機械手”這個畢業(yè)設計題目的時候，我感覺一片茫然，不知道從哪里做起，這時謝老師給了我很大的幫助，她指導我該借哪些參考資料以及怎么做。由于公司里很少放假，所以我每次都是通過網絡將我做的進度傳給謝老師，從開題報告到畢業(yè)設計的初稿我都是這樣傳給謝老師，然后她再根據我做的提出修改意見，盡管這樣很麻煩，但謝老師每次都盡心做好，這點讓我相當敬佩。 機械手的設計要用到大學里所學的各種知識，所以我不光要感謝謝老師，還要感謝大學四年里我所有的任課老師和同學，是他們讓我掌握了機械設計的各種基礎知識。 最后，再次感謝謝老師、各位任課老師、同學和所有對我的畢業(yè)設計提供幫助的人，謝謝你們！ 參考文獻 [1]李允文.工業(yè)機械手設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996. 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