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機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化生產(chǎn)線在企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分也得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步。尤其是隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，氣動(dòng)、液壓技術(shù)的成熟，控制元件的發(fā)展和控制方式的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，機(jī)械手的動(dòng)作精確性、控制靈活性和工作可靠性得到了明顯的改善。機(jī)械手的出現(xiàn)在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和難度、提高工作效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本上做出了突出貢獻(xiàn)，機(jī)械手的發(fā)展在企業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)收上起到了舉足輕重的作用。本課題是一個(gè)機(jī)、電結(jié)合較為緊密的實(shí)用性項(xiàng)目，文中對(duì)PLC的應(yīng)用、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制方法的選擇等方面進(jìn)行了必要的探討。最后，總結(jié)了全文，指出了機(jī)械手的改進(jìn)措施、應(yīng)用前景和發(fā)展方向。
關(guān)鍵字：機(jī)械手，液壓驅(qū)動(dòng)，PLC（可編程控制器）
The Manipulator For Moving The Engine’s Crank
Abstract:With the development of the science and technology and the application of the automobile product line in the production, the manipulator, who serves as the important part of the automobile product line, has also experienced dramatic progress and development. Especially with the improvement of the structure of the machine, the maturity of pneumatics and hydraulics, and the constant improvement of the control element such as the singlechip, PLC, the motion controller, and soon, and the ceaselessly ameliorative and innovative control mode, the precision, delicacy and reliability of the manipulator has been improved expressly, which contributed to alleviating the worker’s labor intensity and difficulty, boosting the working efficiency and quality, reducing cost, as to play an extremely important part in the development and income of the corporations. The subject is a practical item where the mechanics and electrics are integrated very closely. The writer has made a necessary discussion in the application of PLC, the optimize of mechanical structure and the study of control mode and researches into the mechatronics. the writer summarizes the whole thesis and points out the amelioration, perspective and developing direction of the manipulator.
Key Words: manipulator, the hydraulic pressure drive, PLC(Programmable Logic Controller)
目錄
第1章 緒論 1
1.1 工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）的概述 1
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 1
1.1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類 1
1.1.3 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用 2
1.2 設(shè)計(jì)問題的提出 2
第2章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 3
2.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述 3
2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析 3
2.2.1 設(shè)計(jì)要求 3
2.2.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù)分析 3
2.2.3 總體方案擬定 5
第3章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 6
3.1 末端操作器的設(shè)計(jì)分析 6
3.1.1 末端操作器的概述 6
3.1.2 末端操作器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 6
3.2 手腕的設(shè)計(jì)分析 6
3.3 手臂的設(shè)計(jì)分析 6
3.4 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì)分析 7
第4章 機(jī)械手各部件的載荷計(jì)算 8
4.1 設(shè)計(jì)要求分析 8
4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8
4.2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 8
4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 9
4.4 手臂俯仰機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 10
4.5 手腕擺動(dòng)機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 10
4.6 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 12
4.7 初選系統(tǒng)工作壓力 12
第5章 機(jī)械手各部件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及校核 14
5.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定 14
5.4 手腕擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 17
5.5 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 17
5.5 強(qiáng)度校核 17
5.6 彎曲穩(wěn)定性校核 18
第6章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20
6.1 液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量的確定 20
6.3 液壓缸或液壓馬達(dá)主要零件的結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)要求 21
6.3.1 缸體 21
6.3.2 缸蓋 21
6.3.3 活塞 21
6.3.4 活塞桿 22
6.3.5 液壓缸的緩沖裝置 22
6.3.6 液壓缸的排氣裝置 22
6.4 制定基本方案 22
6.4.1 基本回路的選擇 22
6.5 液壓元件的選擇 23
6.5.1 液壓泵的選擇 23
6.5.2 液壓泵所需電機(jī)功率的確定 24
6.5.3 液壓閥的選擇 24
6.5.4 液壓輔助元件的選擇原則 25
6.5.5 油箱容量的確定 26
6.5.6 液壓原理圖 27
結(jié)論 29
參考文獻(xiàn) 30
致謝 31
附錄 圖紙列表 32
第1章 緒論
1.1 工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）的概述
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
1954年，美國人George C.Devol在他申請(qǐng)的專利“Programmed article transfer”中，首次提出了“工業(yè)機(jī)器人”的概念。1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的Joseph F.Engle Berger創(chuàng)建了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司——Unimation公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺(tái)Unimat機(jī)器人。與此同時(shí)，另一家美國公司——AMF業(yè)開始研制工業(yè)機(jī)器人，即Versatran機(jī)器人，它主要用于機(jī)器之間的物料搬運(yùn)。1970年4月，在伊利諾斯工學(xué)院召開了全美第一屆工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（說明書）
題 目 曲軸搬運(yùn)機(jī)械手
專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)教師
論文字?jǐn)?shù)
完成日期 2010年5月
33
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
摘要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化生產(chǎn)線在企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分也得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步。尤其是隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，氣動(dòng)、液壓技術(shù)的成熟，控制元件的發(fā)展和控制方式的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，機(jī)械手的動(dòng)作精確性、控制靈活性和工作可靠性得到了明顯的改善。機(jī)械手的出現(xiàn)在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和難度、提高工作效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本上做出了突出貢獻(xiàn)，機(jī)械手的發(fā)展在企業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)收上起到了舉足輕重的作用。本課題是一個(gè)機(jī)、電結(jié)合較為緊密的實(shí)用性項(xiàng)目，文中對(duì)PLC的應(yīng)用、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制方法的選擇等方面進(jìn)行了必要的探討。最后，總結(jié)了全文，指出了機(jī)械手的改進(jìn)措施、應(yīng)用前景和發(fā)展方向。
關(guān)鍵字：機(jī)械手，液壓驅(qū)動(dòng)，PLC（可編程控制器）
The Manipulator For Moving The Engine’s Crank
Abstract:With the development of the science and technology and the application of the automobile product line in the production, the manipulator, who serves as the important part of the automobile product line, has also experienced dramatic progress and development. Especially with the improvement of the structure of the machine, the maturity of pneumatics and hydraulics, and the constant improvement of the control element such as the singlechip, PLC, the motion controller, and soon, and the ceaselessly ameliorative and innovative control mode, the precision, delicacy and reliability of the manipulator has been improved expressly, which contributed to alleviating the worker’s labor intensity and difficulty, boosting the working efficiency and quality, reducing cost, as to play an extremely important part in the development and income of the corporations. The subject is a practical item where the mechanics and electrics are integrated very closely. The writer has made a necessary discussion in the application of PLC, the optimize of mechanical structure and the study of control mode and researches into the mechatronics. the writer summarizes the whole thesis and points out the amelioration, perspective and developing direction of the manipulator.
Key Words: manipulator, the hydraulic pressure drive, PLC(Programmable Logic Controller)
目錄
第1章 緒論 1
1.1 工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）的概述 1
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 1
1.1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類 1
1.1.3 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用 2
1.2 設(shè)計(jì)問題的提出 2
第2章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 3
2.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述 3
2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析 3
2.2.1 設(shè)計(jì)要求 3
2.2.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù)分析 3
2.2.3 總體方案擬定 5
第3章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 6
3.1 末端操作器的設(shè)計(jì)分析 6
3.1.1 末端操作器的概述 6
3.1.2 末端操作器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析 6
3.2 手腕的設(shè)計(jì)分析 6
3.3 手臂的設(shè)計(jì)分析 6
3.4 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì)分析 7
第4章 機(jī)械手各部件的載荷計(jì)算 8
4.1 設(shè)計(jì)要求分析 8
4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 8
4.2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 8
4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 9
4.4 手臂俯仰機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 10
4.5 手腕擺動(dòng)機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 10
4.6 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 12
4.7 初選系統(tǒng)工作壓力 12
第5章 機(jī)械手各部件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及校核 14
5.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定 14
5.4 手腕擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 17
5.5 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定 17
5.5 強(qiáng)度校核 17
5.6 彎曲穩(wěn)定性校核 18
第6章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20
6.1 液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量的確定 20
6.3 液壓缸或液壓馬達(dá)主要零件的結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)要求 21
6.3.1 缸體 21
6.3.2 缸蓋 21
6.3.3 活塞 21
6.3.4 活塞桿 22
6.3.5 液壓缸的緩沖裝置 22
6.3.6 液壓缸的排氣裝置 22
6.4 制定基本方案 22
6.4.1 基本回路的選擇 22
6.5 液壓元件的選擇 23
6.5.1 液壓泵的選擇 23
6.5.2 液壓泵所需電機(jī)功率的確定 24
6.5.3 液壓閥的選擇 24
6.5.4 液壓輔助元件的選擇原則 25
6.5.5 油箱容量的確定 26
6.5.6 液壓原理圖 27
結(jié)論 29
參考文獻(xiàn) 30
致謝 31
附錄 圖紙列表 32
第1章 緒論
1.1 工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）的概述
1.1.1 工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
1954年，美國人George C.Devol在他申請(qǐng)的專利“Programmed article transfer”中，首次提出了“工業(yè)機(jī)器人”的概念。1958年，被譽(yù)為“工業(yè)機(jī)器人之父”的Joseph F.Engle Berger創(chuàng)建了世界上第一個(gè)機(jī)器人公司——Unimation公司，并參與設(shè)計(jì)了第一臺(tái)Unimat機(jī)器人。與此同時(shí)，另一家美國公司——AMF業(yè)開始研制工業(yè)機(jī)器人，即Versatran機(jī)器人，它主要用于機(jī)器之間的物料搬運(yùn)。1970年4月，在伊利諾斯工學(xué)院召開了全美第一屆工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。
日本機(jī)器人的發(fā)展，經(jīng)過了20世紀(jì)60年代的搖籃期、70年代的實(shí)用化時(shí)期以及80年代的普及、提高期3個(gè)基本階段。在1967年，日本東京機(jī)械貿(mào)易公司首次從美國AMF公司引進(jìn)Versatran機(jī)器人。1968年，日本川崎重工業(yè)公司與美國Unimation公司締結(jié)國際技術(shù)合作協(xié)議，引進(jìn)Unimation機(jī)器人，1970年實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。從此日本進(jìn)入了開發(fā)和應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)時(shí)期。1980年，機(jī)器人技術(shù)在日本取得了極大的成功與普及。現(xiàn)在日本人呢?fù)碛械墓I(yè)機(jī)器人的臺(tái)數(shù)約占世界總臺(tái)數(shù)的65%，而且其制造技術(shù)也處于領(lǐng)先地位。
我國工業(yè)機(jī)器人起步于20世紀(jì)70年代初期，1972年我國開始研制自己的工業(yè)機(jī)器人。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了三個(gè)階段：70年代的萌芽期、80年代的開發(fā)期和90年代的適用化期。現(xiàn)在，國家更重視機(jī)器人工業(yè)的發(fā)展，也有越來越多的企業(yè)和科研人員投入到機(jī)器人的開發(fā)研究中。目前，我國研制的工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)達(dá)到了工業(yè)應(yīng)用水平。我國機(jī)器人技術(shù)研究主要體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：一是示教再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)器人；二是智能機(jī)器人；三是機(jī)器人化機(jī)械；四是以機(jī)器人為基礎(chǔ)的重組裝配系統(tǒng)；五是多傳感器信息融合與配置技術(shù)。
1.1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類
表1-1 機(jī)器人分類表
分類名稱
簡要解釋
操作型機(jī)器人
能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)
程控型機(jī)器人
按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作
示教再現(xiàn)型機(jī)器人
通過引導(dǎo)或其他方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行工作
數(shù)控型機(jī)器人
不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等對(duì)機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)
感覺控制型機(jī)器人
利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作
適應(yīng)控制型機(jī)器人
機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境變化，控制自身的行為
學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人
機(jī)器人能“體會(huì)”工作經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)能力，并能將所“學(xué)”的經(jīng)濟(jì)用于工作中
智能機(jī)器人
以人工智能決定其行為的機(jī)器人
關(guān)于機(jī)器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。一般的分類方式如上表。
1.1.3 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)械手是伴隨工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)裝備。它綜合應(yīng)用了機(jī)械，電子，自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)以及物理，生物等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合而廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門。
工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的必然產(chǎn)物。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件和握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。這種新穎技術(shù)裝備的出現(xiàn)和應(yīng)用，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強(qiáng)大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。
工業(yè)上應(yīng)用的機(jī)械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結(jié)構(gòu)形式亦各有不同，技術(shù)復(fù)雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂，手腕和手的部分動(dòng)作及功能；一般都能按預(yù)定程序，自動(dòng)地，重復(fù)循環(huán)地進(jìn)行工作。此外，還有些非自動(dòng)化的裝備，具有與人體上肢類似的部分動(dòng)作，結(jié)構(gòu)上與工業(yè)機(jī)械手是一致的，亦可歸屬于工業(yè)機(jī)械手的范疇。例如，早期就有一種由人直接用繩索牽引進(jìn)行操作的隨動(dòng)機(jī)械手和近期發(fā)展起來的由人工進(jìn)行操作的機(jī)械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遙控的非自動(dòng)的單循環(huán)的機(jī)械手等。
實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期，頻繁，單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的；此外，它還能在高溫，低溫，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
1.2 設(shè)計(jì)問題的提出
在生產(chǎn)實(shí)踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進(jìn)行合理的安排，組成一條自動(dòng)流水加工線。但在流水線上加工時(shí)，需要許多工人搬運(yùn)工件，有時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度較大。當(dāng)生產(chǎn)效率很高時(shí)，為了減少工人數(shù)量，改善工人的勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率這就需要使自動(dòng)線上工件搬運(yùn)自動(dòng)化。于是針對(duì)這一問題就提出了要研制一種搬運(yùn)機(jī)械手來代替工人實(shí)現(xiàn)工件的搬運(yùn)上線，并且能滿足定位和重復(fù)定位精度。用搬運(yùn)機(jī)械手來代替工人搬運(yùn)工件可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少自動(dòng)線上的工人數(shù)目，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率并且精度也得到了保障。而事實(shí)上，在生產(chǎn)領(lǐng)域真正用來加工的時(shí)間一般不大于整個(gè)生產(chǎn)時(shí)間的10％，大部分時(shí)間是用在了工件的搬運(yùn)、裝夾等輔助工序上。從這個(gè)方面可以看出研制一種自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手的迫切性和重要性。
第2章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系概述
機(jī)械手由三大部分（機(jī)械部分、傳感部分、控制部分）六個(gè)子系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)）組成。
機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機(jī)身（立柱）。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)器是把從動(dòng)力源獲得的能量變換成機(jī)械能，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的驅(qū)動(dòng)形式有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動(dòng)（例如超聲波驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)等）。
控制系統(tǒng)：機(jī)器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同，主要可分為點(diǎn)位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。
2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì)分析
2.2.1 設(shè)計(jì)要求
某生產(chǎn)線上搬運(yùn)工件原由人工完成, 勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)線的工作效率, 降低成本, 使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng), 適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn), 針對(duì)具體生產(chǎn)工藝, 利用機(jī)器人技術(shù), 設(shè)計(jì)用一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)械手代替人工工作。
該機(jī)械手能完成如下的動(dòng)作循環(huán)：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)180度→手腕回轉(zhuǎn)90度→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。
2.2.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù)分析
(1) 結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì): 機(jī)械手常見的運(yùn)動(dòng)形式有1）直角坐標(biāo)型2）圓柱坐標(biāo)型3）球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型4）關(guān)節(jié)型（回轉(zhuǎn)坐標(biāo)）型5）平面關(guān)節(jié)型五種。
圓柱坐標(biāo)型是由三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。
直角坐標(biāo)型，其運(yùn)動(dòng)部分的三個(gè)相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間大，靈活性較差。
球坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動(dòng)作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
關(guān)節(jié)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰運(yùn)動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)，其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的工件。
平面關(guān)節(jié)型，采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)控制上下運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。
綜上，本次設(shè)計(jì)中采用回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。
(2) 自由度的確定：自由度(Degrees of Freedom),指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括末端操作器的開合度。在運(yùn)動(dòng)形式上分為為直線運(yùn)動(dòng)P，為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)R。自由度數(shù)的多少反映了這種機(jī)械手能完成動(dòng)作的復(fù)雜程度，根據(jù)對(duì)機(jī)械手必須完成的動(dòng)作的研究，設(shè)計(jì)四個(gè)自由度的機(jī)械手即可完成所規(guī)定的工作任務(wù)。從機(jī)座到手腕，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)-直線-直線-旋轉(zhuǎn)，即RPPR型。
(3) 驅(qū)動(dòng)方式的選擇:1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)2）氣壓驅(qū)動(dòng)3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)4）機(jī)械聯(lián)動(dòng)四種，其中液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)較為通用。
液壓驅(qū)動(dòng)：結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動(dòng)、防爆性好。而且液壓技術(shù)比較成熟，具有動(dòng)力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。
氣壓驅(qū)動(dòng)：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便、清潔等特點(diǎn)，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中，但對(duì)速度很難進(jìn)行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實(shí)現(xiàn)伺服控制。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)：步進(jìn)或伺服電機(jī)可用于程序復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手； 異步電機(jī)、直流電機(jī)適用于抓重大、速度低的專用機(jī)械手；電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測、傳遞、處理方便，控制方式靈活，安裝維修方便。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。
機(jī)械聯(lián)動(dòng)：動(dòng)作可靠，動(dòng)作范圍小，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適用于自由度少、速度快的專用機(jī)械手。
并且，同其他轉(zhuǎn)動(dòng)方式相比較，傳動(dòng)功率相同時(shí)，液壓傳動(dòng)裝置的重量輕，體積緊湊，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，調(diào)速范圍大。運(yùn)動(dòng)件的慣性小，能夠頻繁順序換向，傳動(dòng)工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸著震，并能自動(dòng)防止過載。與電氣配合，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和操作自動(dòng)化，與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種自動(dòng)控制工作。液壓元件基本已經(jīng)上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，利于CAD技術(shù)的應(yīng)用、提高工效，降低成本。容易達(dá)到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉(zhuǎn)距）。液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作較平穩(wěn)，可靠，并可實(shí)現(xiàn)較高的位置精度。液壓傳動(dòng)中，力，速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。液壓裝置采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑效能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。
綜上，本次設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)。
(4) 控制方式的選擇:1）點(diǎn)位控制方式（PTP）2）連續(xù)軌跡控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。
點(diǎn)位控制的特點(diǎn)是只控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿?？刂茣r(shí)只要求工業(yè)機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不做任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間。由于其控制方式易于實(shí)現(xiàn)，常應(yīng)用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊等工業(yè)機(jī)器人。
連續(xù)軌跡控制的特點(diǎn)是連續(xù)的控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而且速度可控，軌跡光滑且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是工業(yè)機(jī)器人末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機(jī)器人。
力（力矩）控制方式常用于準(zhǔn)確定位并要求使用適度的力或力矩來完成裝配、抓放物體等工作。
智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識(shí)，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識(shí)庫相應(yīng)做出決策。采用智能控制技術(shù)的機(jī)器人具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)能力，技術(shù)難度及成本要求都比較高。
綜上，本次設(shè)計(jì)采用點(diǎn)位控制。
另外該機(jī)械手的動(dòng)作是有順序要求的，控制系統(tǒng)采用PLC控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的工序動(dòng)作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
綜合上述，此次采用電-液伺服點(diǎn)位控制，可以很好的完成自動(dòng)線工作。
2.2.3 總體方案擬定
因?yàn)楸緳C(jī)械手工作范圍大，位置精度要求高?？紤]本機(jī)械手工作要求的特殊情況，本設(shè)計(jì)采用懸臂式四自由度的機(jī)械手，簡圖下所示：
圖2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖
自由度具體分配如下：
1）手臂回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動(dòng)油缸來實(shí)現(xiàn)，擺動(dòng)缸的動(dòng)片與缸體相連接，通過油液帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，與之相連的缸體也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
2）手臂俯仰自由度。機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動(dòng)，一般采用活塞油（氣）與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，缸體采用尾部耳環(huán)與機(jī)身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
4）手腕回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動(dòng)液壓缸來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)注入壓力油時(shí)，油壓推動(dòng)動(dòng)片連同轉(zhuǎn)軸一起回轉(zhuǎn)。因?yàn)閯?dòng)片是固定在轉(zhuǎn)軸上的，故動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸也隨著其一起轉(zhuǎn)。而末端操作器與轉(zhuǎn)軸是固定在一起的，故轉(zhuǎn)軸一轉(zhuǎn)手部便一起轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
第3章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析
3.1 末端操作器的設(shè)計(jì)分析
3.1.1 末端操作器的概述
工業(yè)機(jī)器人的末端操作器是機(jī)器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具等進(jìn)行操作的部件，根據(jù)被操作工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面形態(tài)各有不同，其形式也多種多樣，大部分末端操作器的結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件專門加工的，常用的有四類：1）夾鉗式取料手2）吸附式取料手3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器4）仿生多指靈巧手。
夾鉗式取料手是工業(yè)機(jī)器人最常用的一種末端操作器形式，在流水線上應(yīng)用廣泛。它一般由手指、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接與支承元件組成，工作機(jī)理類似于常用的手鉗。
吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手應(yīng)用于大平面（單面接觸無法抓?。?、易碎（玻璃、磁盤）、微小（不易抓?。┑奈矬w。
因?yàn)閷Ｓ貌僮髌骷稗D(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手的技術(shù)難度及成本要求都比較高，故在此不多做介紹。
3.1.2 末端操作器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的末端操作器宜采用夾鉗式取料手。
夾鉗式取料手的手指的結(jié)構(gòu)形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。其中V形指一般用于夾持圓柱形工件，具有夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小等特點(diǎn)。
3.2 手腕的設(shè)計(jì)分析
機(jī)器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調(diào)節(jié)或改變工件方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)器人末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。此處手腕需實(shí)現(xiàn)手部的翻轉(zhuǎn)（Roll）動(dòng)作,腕部結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在手部相對(duì)于臂部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)上。
3.3 手臂的設(shè)計(jì)分析
手臂是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運(yùn)動(dòng)到給定的位置上。手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。
手臂一般有伸縮運(yùn)動(dòng)、左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)三個(gè)自由度。在一般情況，手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的起動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求起動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。伸縮運(yùn)動(dòng)一般采用直線液壓缸驅(qū)動(dòng)，俯仰運(yùn)動(dòng)大多采用伸縮單作用（單活塞桿）驅(qū)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則大多用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實(shí)現(xiàn)。
本設(shè)計(jì)采用單作用（單活塞桿）缸來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)或產(chǎn)生變形，手臂的伸縮機(jī)構(gòu)需設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素，為了使抓取時(shí)不產(chǎn)生偏重力矩使抓取可靠，本設(shè)計(jì)中采用四根導(dǎo)向柱的臂伸縮結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是行程長，抓重大，而工件不規(guī)則時(shí)還可以防止產(chǎn)生過大的偏重力矩。簡圖如下：
圖3-1 四導(dǎo)向桿式手臂機(jī)構(gòu)簡圖
從圖中可以比較清楚地看到手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向桿的安放方式以及手臂與其他部件的連接點(diǎn)。
手臂俯仰運(yùn)動(dòng)采用單作用（單活塞桿）缸來驅(qū)動(dòng)。直線油缸的缸底與機(jī)身通過鉸鏈相連，而油缸活塞桿的伸出端則與臂部鉸接，這樣當(dāng)壓力油進(jìn)個(gè)油缸時(shí)就驅(qū)動(dòng)活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過活塞桿的運(yùn)動(dòng)就使與其相連的手臂形成了俯仰的運(yùn)動(dòng)。由于俯仰油缸是采用底部耳環(huán)擺動(dòng)式直線缸，所以在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，缸體可在平面內(nèi)擺動(dòng)。
采用擺動(dòng)馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。擺動(dòng)馬達(dá)布置在機(jī)身上部，手臂部件用銷軸與回轉(zhuǎn)缸體上的耳叉連接，作為手臂俯仰運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸和機(jī)身固定連接，擺動(dòng)缸的動(dòng)片與缸體相連，當(dāng)擺動(dòng)缸進(jìn)壓力油時(shí)，通過葉片的帶動(dòng)，缸體隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。
對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)很不利。偏重力矩過大，會(huì)引起手臂的振動(dòng)，在升降時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量地近，以減少偏重力矩。為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：1）可減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸2）減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），盡可能在較小的前伸位置進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作3）在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。
3.4 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì)分析
機(jī)身，又稱為立柱，是支撐手臂的部件，并能輔助實(shí)現(xiàn)手臂的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰運(yùn)動(dòng)。它是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用。對(duì)固定機(jī)器人，直接連接在地面基礎(chǔ)上，對(duì)移動(dòng)式機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上。
機(jī)器人機(jī)座可分為固定式和行走式兩種，一般工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座為固定式。固定式機(jī)器人的機(jī)身直接連接在地面基礎(chǔ)上，也可以固定在機(jī)身上。
此處要求機(jī)械手的工作范圍比較小，故設(shè)計(jì)為固定式機(jī)器人，機(jī)身與機(jī)座用螺柱連接，機(jī)座用螺栓固定在地面基礎(chǔ)上。
機(jī)身設(shè)計(jì)要求：1）剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好2）運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死3）驅(qū)動(dòng)方式適宜，結(jié)構(gòu)布置合理。
第4章 機(jī)械手各部件的載荷計(jì)算
4.1 設(shè)計(jì)要求分析
本課題設(shè)計(jì)的曲軸搬運(yùn)機(jī)械手采用關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系、全液壓驅(qū)動(dòng)，具有手臂伸縮、俯仰、回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)四個(gè)自由度，以及手指的抓取動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)由手部抓取機(jī)構(gòu)、手腕回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手臂伸縮機(jī)構(gòu)、手臂俯仰機(jī)構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和各定位裝置等組成，每一部分均由液壓缸驅(qū)動(dòng)與控制。
它完成的動(dòng)作循環(huán)為：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)180度→手腕回轉(zhuǎn)90度→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。
4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中采用四指V形結(jié)構(gòu)，指面光滑，避免工件被夾持部位的表面受損。手指的驅(qū)動(dòng)采用彈簧復(fù)位（單活塞桿）單作用液壓缸，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用斜楔杠桿式復(fù)合回轉(zhuǎn)傳動(dòng)，并在杠桿上裝有張緊彈簧，以保證手指夾緊驅(qū)動(dòng)液壓缸的復(fù)位。手指厚度根據(jù)需要夾持的工件設(shè)定，V形指合攏后的的尺寸為工件被夾持部位直徑的外接正六邊形，保證了機(jī)械手工作時(shí)的可靠性。
4.2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算
手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對(duì)工件的夾緊力計(jì)算：
（4-1）
式中： ——安全系數(shù)，通常取1.2～2.0；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？晒浪悖?
= （4-2）
其中：——重力加速度；
——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度，可計(jì)算：
（4-3）
——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度，0.07。
——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般取0.3～0.5。
——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。0.9～1.1。
——被抓取工件所受重力（）。
計(jì)算可得：
手指夾緊由單作用液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，則手指夾緊缸的載荷為：
160
4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算
手臂伸縮采用雙作用液壓缸實(shí)現(xiàn)，臂部作水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還在克服啟動(dòng)過程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力可可按下式計(jì)算：
（4-4）
式中： ——各支承處的的摩擦阻力（N），其大小可按下式估算：
（4-5）
式中： G——運(yùn)動(dòng)部件所受的重力（）；
——外載荷作用于導(dǎo)軌上的正壓力（），其大小可按下式計(jì)算：
（4-6）
——摩擦系數(shù)，取0.1，詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表23.4-1；
——啟動(dòng)過程中的慣性力（），其大小可按下式估算：
（4-7）
式中： ——重力加速度，取9.8；
——速度變化量（）。如果臂部從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度時(shí)，則這個(gè)過程的速度變化量就等于臂部的工作速度。
——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間（），一般為0.1～。對(duì)輕載低速運(yùn)動(dòng)部件取小值，對(duì)重載高速部件取大值，行走機(jī)械一般取0.5～1.5。
經(jīng)過計(jì)算得：
=
4.4 手臂俯仰機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算
當(dāng)手臂從水平位置成仰角時(shí)或從角度恢復(fù)為水平時(shí)的加速或減速過程，鉸接活塞桿的載荷（即俯仰直線缸驅(qū)動(dòng)力）達(dá)到最大。其在垂直方向上的最大線速度為0.07，加速時(shí)間為0.1，由于升降過程一般不是等加速運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。則手臂俯仰油缸載荷：
（4-8）
式中： ——手臂俯仰缸所支撐的重量（），由下式可得：
——手臂俯仰缸的活塞桿的加速度。
經(jīng)過計(jì)算得：
4.5 手腕擺動(dòng)機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算
設(shè)計(jì)采用擺動(dòng)液壓缸實(shí)現(xiàn)，缸蓋通過法蘭與手臂活塞桿聯(lián)接，結(jié)構(gòu)如圖所示：
圖4-1 手部結(jié)構(gòu)簡圖
手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)根據(jù)抓緊工件時(shí)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計(jì)算?；剞D(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于起動(dòng)過程中不是等加速運(yùn)動(dòng)，所以最大驅(qū)動(dòng)力矩比理論上平均值大一些，計(jì)算時(shí)一般取1.3倍。計(jì)算時(shí)還要考慮液壓馬達(dá)的機(jī)械效率（0.9～0.99），驅(qū)動(dòng)力矩按下式計(jì)算：
（4-9）
式中：——摩擦力矩(包括各支承處的摩擦力矩)（）；
——起動(dòng)時(shí)慣性力矩（），一般按下式計(jì)算：
（4-10）
其中： ——臂部對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；
——速度變化量（）；
——回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起動(dòng)或制動(dòng)所需的時(shí)間（），一般為0.1～0.5。對(duì)輕載低
速運(yùn)動(dòng)部件取小值，對(duì)重載高速部件取大值，行走機(jī)械一般取0.5～1.5。
經(jīng)過計(jì)算可得如下結(jié)果：
=
4.6 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算
臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩,應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計(jì)算。回轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于起動(dòng)過程中不是等加速運(yùn)動(dòng),所以最大驅(qū)動(dòng)力矩比理論上平均值大一些，計(jì)算時(shí)一般取1.3倍。計(jì)算時(shí)還要考慮液壓馬達(dá)的機(jī)械效率（0.9～0.99），驅(qū)動(dòng)力矩按下式計(jì)算：
式中： ——摩擦力矩(包括各支承處的摩擦力矩) （）；
——起動(dòng)時(shí)慣性力矩（），一般按下式計(jì)算:
其中： ——臂部對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；
——速度變化量（）；
——回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起動(dòng)或制動(dòng)所需的時(shí)間（s）, 一般為0.1～0.5s。對(duì)輕載低
速運(yùn)動(dòng)部件取小值，對(duì)重載高速部件取大值，行走機(jī)械一般取=0.5～1.5m/s。
在計(jì)算臂部部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，可將形狀復(fù)雜的零件簡化為幾個(gè)形狀簡單的零件，分別求出各簡單零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。若零、部件沿臂部伸縮運(yùn)動(dòng)方向上的軸向尺寸與其重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離比值不超過二分之一時(shí)，一般可把它當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來計(jì)算，這樣簡化計(jì)算的誤差不超過5%。經(jīng)過計(jì)算可得如下結(jié)果：
=
4.7 初選系統(tǒng)工作壓力
壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)某些設(shè)備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不經(jīng)濟(jì)；反之，壓力選得太高，對(duì)泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本。一般來說，對(duì)于固定的尺寸不太受限制的設(shè)備，壓力選低一些，行走機(jī)械重載設(shè)備壓力要選得高一些。選擇可參考一下兩表：
表4-1 按載荷選擇工作壓力
載荷/KN
<5
5～10
10～20
20～30
30～50
>50
工作壓力/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5
表4-2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力
機(jī)械類型
機(jī)
床
農(nóng)業(yè)機(jī)械
小型工程機(jī)械
建筑機(jī)械
液壓鑿巖機(jī)
液壓機(jī)
大中型挖掘機(jī)
起重機(jī)械
起重運(yùn)輸機(jī)械
磨床
組合
機(jī)床
龍門
刨床
拉床
工作壓力/MPa
0.8～2
3～5
2～8
8～10
10～18
20～32
從各方面綜合考慮，根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，搬運(yùn)機(jī)械手的工作壓力選擇為8MPa。
第5章 機(jī)械手各部件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及校核
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)部件即為液壓缸，總體結(jié)構(gòu)尺寸即為液壓缸尺寸。一般來說液壓缸是標(biāo)準(zhǔn)件,但有時(shí)也需來自行設(shè)計(jì),故需了解其主要尺寸的計(jì)算及強(qiáng)度、剛度的驗(yàn)算方法。對(duì)于活塞缸，缸的直徑是指缸的內(nèi)徑。缸的內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來確定。
5.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定
手指夾緊采用的單作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。
(1)液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑的確定
為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，下圖為活塞桿工作在受拉狀態(tài)。
活塞桿受壓時(shí)
圖5-1 活塞桿受壓示意圖
（5-1）
活塞桿受拉時(shí)
圖5-2 活塞桿受拉示意圖
（5-2）
式中： ——無桿活塞桿有效作用面積（）；
——有桿活塞桿有效作用面積（）；
——液壓缸工作腔壓力8MPa；
——背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時(shí)可參照表5-1，此處選取背壓0。
——油缸內(nèi)徑（）；
——活塞桿直徑（）。
表5-1 執(zhí)行元件背壓力
系統(tǒng)類型
背壓力/MPa
簡單系統(tǒng)或節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2～0.5
回油路帶調(diào)速閥系統(tǒng)
0.4～0.6
回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)
0.5～1.5
用補(bǔ)油泵的閉式回路
0.8～1.5
回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械
1.2～3
回油路較短，且直接回油箱
可忽略不計(jì)
對(duì)單活塞桿缸，無桿腔進(jìn)液體或氣體時(shí)，不考慮機(jī)械效率，可得：
D= （5-3）
有桿腔進(jìn)液體或氣體時(shí)，不考慮機(jī)械效率，可得：
= （5-4）
這時(shí)，上面兩式便可簡化，即無桿腔進(jìn)液體時(shí)：
= （5-5）
有桿腔進(jìn)油時(shí)：
= （5-6）
若綜合考慮排液對(duì)活塞產(chǎn)生的背壓，活塞和活塞桿處密封及導(dǎo)套產(chǎn)生的摩擦力，以及運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量產(chǎn)生慣性力等的影響，一般取機(jī)械效率0.8或0.9?；钊麠U的桿徑可根據(jù)工作壓力選取，見表5-2。
表5-2 按工作壓力選取d/D
工作壓力/MPa
≤5.0
5.0～7.0
≥7
/
0.5～0.55
0.62～0.70
0.7
當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比有一定要求時(shí)，桿徑可由下式計(jì)算。
= （5-7）
液壓缸的速比過大會(huì)使無桿腔產(chǎn)生過大的背壓，速度比過小則活塞桿太細(xì)，穩(wěn)定性不好。推薦液壓缸的速度比如表所示。
表5-3 按速比要求確定d/D
往復(fù)速比
1.15
1.25
1.33
1.46
1.61
2
/
0.3
0.4
0.5
0.55
0.62
0.71
經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑96，活塞桿直徑67.2。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為，活塞桿直徑。
液壓缸的缸筒長度由活塞桿最大行程、活塞長度、活塞桿導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度和特殊要求的其它長度確定。一般活塞桿寬度（1.6～1.0）；在>80時(shí)，導(dǎo)向套滑動(dòng)面長度（0.6～1.0）。為了減少加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20～30倍。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取夾緊液壓缸缸筒長度160。
缸筒是液壓缸中最重要的零件,它承受液體作用的壓力,其臂厚需進(jìn)行計(jì)算?；钊麠U受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，為避免發(fā)生縱向彎曲，還要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。
中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數(shù)屬薄壁微，即≥10時(shí)，其最薄處的壁厚用材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算壁厚，即：
（5-8）
式中：——缸筒內(nèi)最高工作壓力；
——缸筒材料的許用應(yīng)力，由下式可計(jì)算：
= （5-9）
式中： ——材料的抗拉強(qiáng)度，查機(jī)械手冊(cè)得610MPa；
——安全系數(shù)，當(dāng)≥10時(shí)一般取=5；當(dāng)<10時(shí)，稱為厚壁筒，高壓缸的缸筒大都屬于此類。
計(jì)算可得夾緊液壓缸壁厚20。
5.2 手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定
手臂伸縮機(jī)構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑145，活塞桿直徑101.5。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為160，活塞桿直徑100。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取手臂伸縮液壓缸缸筒長度2000，壁厚36。
5.3 手臂俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定
手臂俯仰機(jī)構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑101，活塞桿直徑70.7。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為100，活塞桿直徑70。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取手臂俯仰液壓缸缸筒長度630，壁厚28。
5.4 手腕擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
手腕擺動(dòng)選用的葉片式擺動(dòng)液壓缸，由上一章已知其載荷力矩的大小。
擺動(dòng)液壓缸的排量為
（5-10）
式中： T——液壓馬達(dá)的載荷轉(zhuǎn)矩（）；
——液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓（）,已知為8MPa。
計(jì)算可得：
/r
根據(jù)實(shí)際工況取設(shè)計(jì)中選取YMD30葉片擺動(dòng)液壓缸。
5.5 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
機(jī)身擺動(dòng)選用的葉片式擺動(dòng)液壓缸，由上一章已知其載荷力矩的大小。
擺動(dòng)液壓缸的排量為
/r
根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)中選取YMD300的葉片擺動(dòng)液壓缸。
5.5 強(qiáng)度校核
活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向的推力和拉力，可以近似地用直桿承受拉壓負(fù)載的簡單強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：
（5-11）
式中： ——活塞桿的作用力，單位；
——活塞桿直徑，單位；
——材料的許用應(yīng)力，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)為600MPa。
下面各液壓缸的活塞桿校核如下:
故<<，所以滿足強(qiáng)度要求。
5.6 彎曲穩(wěn)定性校核
活塞桿受軸向壓力作用時(shí)，有可能產(chǎn)生彎曲，當(dāng)此軸向力達(dá)到臨界值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)壓桿不穩(wěn)定現(xiàn)象學(xué)，臨界值的大小與活塞桿長和直徑，以及缸的安裝方式等有關(guān)。只有當(dāng)活塞桿的計(jì)算長度≥10時(shí)，才進(jìn)行活塞桿的縱向穩(wěn)定性計(jì)算。所以只需校核手臂伸縮液壓缸，其計(jì)算按材料力學(xué)的有關(guān)公式進(jìn)行。
使缸保持穩(wěn)定性的條件為：
（5-12）
（5-13）
（5-14）
（5-15）
式中： ——缸承受的軸向壓力（）；
——安全系數(shù)，一般取3.5～6；
——液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，見機(jī)械設(shè)計(jì)手表20-6-17。
——活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界壓力（），可由下式計(jì)算：
L——液壓缸支承長度（）；
——活塞桿橫截面慣性矩（），可由下式計(jì)算：
——實(shí)際彈性模數(shù)，可由下式計(jì)算：
——材料的彈性模數(shù)（），鋼材；
——材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般取a；
——活塞桿截面不均勻系數(shù)，一般取b；
——活塞桿直徑（）。
計(jì)算可得：
4.9×
所以彎曲強(qiáng)度滿足要求。
第6章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
6.1 液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量的確定
6.1.1 液壓缸工作時(shí)所需流量：
（6-1）
式中： ——液壓缸有效作用面積（）；
——活塞與缸體的相對(duì)速度（）。
1.無桿活塞桿有效作用面積：
（6-2）
式中: ——油缸內(nèi)徑（）。
2.有桿活塞桿有效作用面積：
（6-3）
式中: ——活塞桿直徑（）。經(jīng)過計(jì)算可得各活塞的有效面積如下表：
表6-1 各活塞的有效面積
有效面積
液壓缸
(mm2)
(mm2)
手臂俯仰油缸
7850
4003.5
手臂伸縮油缸
20096
12246
手指夾緊油缸
7850
4003.5
經(jīng)過計(jì)算可得各液壓缸流量下表所示：
表6-2 各液壓缸流量
工 況
執(zhí)行元件
運(yùn)動(dòng)速度m/s
結(jié)構(gòu)參數(shù)()
流量
(L/s)
計(jì)算公式
手指夾緊
夾緊缸
0.035
=0.0079
0.28
手指松開
0.070
=0.0040
手臂前伸
伸縮缸
0.042
=0.0201
0.85
手臂縮回
0.070
=0.0122
手臂上升
俯仰缸
0.035
=0.0079
0.28
手臂下降
0.07
=0.0040
6.2 液壓馬達(dá)工作時(shí)的流量：
查表得YMD30擺角90°，流量（內(nèi)泄漏量）為300；YMD300擺角270°，流量（內(nèi)泄漏量）為470。
6.3 液壓缸或液壓馬達(dá)主要零件的結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)要求
6.3.1 缸體
液壓缸缸體的常用材料有20、35、45號(hào)無縫鋼管。因20號(hào)鋼的力學(xué)性能略低，且不能調(diào)質(zhì)，應(yīng)用較少。當(dāng)缸筒與缸底、缸頭、管接頭或耳軸等件需焊接時(shí)，則應(yīng)采用焊接性能比較好的35鋼，初加工后調(diào)質(zhì)。一般情況下，均采用45鋼，并調(diào)質(zhì)到241～285HB。缸體毛坯也可采用鍛鋼、鑄鋼或鑄鐵件。鑄鐵可采用ZG35B等材料，鑄鐵可采用HT200～HT350間幾個(gè)牌號(hào)或球墨鑄鐵。特殊情況下，可采用鋁合金等材料。
設(shè)計(jì)中缸體材料選用45號(hào)鋼，并應(yīng)調(diào)質(zhì)到241～285HB。缸體內(nèi)徑采用H8配合?；钊捎孟鹉z密封圈密封，該密封結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，密封可靠，摩擦阻力小，但是要求缸孔內(nèi)臂十分光滑，故取缸體內(nèi)表面的粗糙度為Ra=0.1～0.4。
缸體內(nèi)徑的圓度公差按8級(jí)精度選取，圓柱度公差按8級(jí)精度選取。缸體端面的垂直度公差按7級(jí)精度選取。帶有耳環(huán)的缸體，而空孔徑的中心線對(duì)缸體內(nèi)孔軸線的垂直度公差按9級(jí)精度選取。為了防止腐蝕和提高壽命，缸體內(nèi)表面鍍以厚度為30～40的鉻層，鍍后進(jìn)行珩磨或拋光。它們的安裝支承方式通常有臺(tái)肩支承和缸底支承兩種，這里均采用法蘭連接缸底支承。
6.3.2 缸蓋
液壓缸的缸蓋可選用35、45號(hào)鍛鋼或ZG35、ZG45鑄鋼或HT200、HT300、HT350鑄鐵等材料。
當(dāng)缸蓋本身又是活塞桿的導(dǎo)向套時(shí)，缸蓋最好選用鑄鐵。同時(shí)，應(yīng)在導(dǎo)向表面上熔堆黃銅、青銅或其他耐磨材料。如果采用在缸蓋中壓入導(dǎo)向套的結(jié)構(gòu)時(shí)，導(dǎo)向套材料則應(yīng)為耐磨鑄鐵、青銅或黃銅等。
設(shè)計(jì)中缸蓋本身又是活塞桿的導(dǎo)向套，故缸蓋材料選用45號(hào)鋼。同時(shí)，在導(dǎo)向表面上熔堆黃銅、青銅或其它耐磨材料。
缸蓋直徑和活塞桿緩沖孔的圓柱度公差按9級(jí)精度選取，同軸度公差值為0.03mm。端面與直徑軸心線的垂直度公差值按7級(jí)精度選取，導(dǎo)向孔的表面粗糙度為Ra=1.25μm。
6.3.3 活塞
活塞缸活塞常用的材料為耐磨鑄鐵、灰鑄鐵（HT300、HT