四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真【含NX三維及CAD總裝圖】

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I四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真摘要在機(jī)械制造業(yè)中，機(jī)械手已被廣泛應(yīng)用，改善了工人的勞動(dòng)環(huán)境，顯著地加快了生產(chǎn)節(jié)奏，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，工業(yè)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化程度得到了提高。本文先對(duì)機(jī)械手的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及搬運(yùn)機(jī)械手的應(yīng)用背景和需求分析進(jìn)行分析，對(duì)本課題任務(wù)進(jìn)行了四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)。首先，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的自由度為四自由度；其次，本文設(shè)計(jì)了四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)、手臂結(jié)構(gòu)、機(jī)身、機(jī)座、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等部分，實(shí)現(xiàn)了四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的水平回轉(zhuǎn)，軸向移動(dòng)，豎直升降，手部的旋轉(zhuǎn)四個(gè)自由度及手爪的開合。本文通過針對(duì)四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了一種具有模塊化、高可靠性物料的搬運(yùn)機(jī)械手，對(duì)其他經(jīng)濟(jì)型搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)也有一定的借鑒作用。關(guān)鍵詞：四自由度；機(jī)械手；氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真IIAbstractIn machinery manufacturing, robots have been widely used to improve workers' labor environment, significantly speed up production, increase labor productivity, and increase the degree of mechanization and automation of industrial production.This paper first analyzes the research status of manipulators both at home and abroad, as well as the application background and demand analysis of the handling robots. The overall program design of the four-degree-of-freedom transport manipulator is performed on the tasks of this project. Firstly, the degree of freedom of the handling robot is determined to be four degrees of freedom. Secondly, this paper designs the gripping hand structure, arm structure, fuselage, frame and drive system of the four-degree-of-freedom handling robot and realizes four freedoms. Degree of rotation of the handling robot, axial movement, vertical lifting, four degrees of rotation of the hand and the opening and closing of the hand. In this paper, by designing the overall design of a four-degree-of-freedom handling robot, a handling robot with a modular, high-reliability material is designed, which also has a certain reference for the design of other economical handling robots.Keywords: four degrees of freedom; manipulator; pneumatic drive; kinematics simulationIII目錄第 1 章 緒論 ..........................................................................................................................................11.1 選題背景及研究意義 ............................................................................................................11.2 機(jī)械手概述 ...........................................................................................................................11.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ...................................................................................................................21.3.1 國外機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀 ...............................................................................................21.3.2 國內(nèi)機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀 ...............................................................................................21.4 課題的主要研究內(nèi)容 ............................................................................................................3第 2 章 四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì) ..................................................................................42.1 工作原理 ................................................................................................................................42.2 基本參數(shù)要求 .......................................................................................................................42.2.1 基本參數(shù)的確定 .......................................................................................................42.2.2 設(shè)計(jì)要求 ...................................................................................................................52.3 整體方案 ................................................................................................................................52.4 小結(jié) ........................................................................................................................................6第 3 章 四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ..................................................................................73.1 底座的設(shè)計(jì) ............................................................................................................................73.2 手部的設(shè)計(jì) ............................................................................................................................73.2.1 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的計(jì)算 ...........................................................................................73.2.2 豎直升降模塊的設(shè)計(jì) ...............................................................................................8IV3.2.3 水平伸縮模塊的設(shè)計(jì) ...............................................................................................93.3 腕部的設(shè)計(jì) ..........................................................................................................................103.3.1 概述 ........................................................................................................................103.3.2 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的確定 ............................................................................................103.4 臂部的設(shè)計(jì) ..........................................................................................................................123.4.1 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 .............................................................................................123.4.2 手臂偏重力矩的確定 .............................................................................................123.5 小結(jié) ............................................................................................................................13第 4 章 四自由度機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................................144.1 氣動(dòng)元件的選用 ..................................................................................................................144.2 氣動(dòng)系統(tǒng)中各控制和輔助元件的選用 ..............................................................................154.2.1 方向控制閥的選用 .................................................................................................154.2.2 流量控制閥的選用 .................................................................................................164.2.3 壓力控制閥的選用 .................................................................................................164.3 液壓模塊計(jì)算 ......................................................................................................................164.3.1 液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 ................................................................................164.3.2 液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 .................................................................................................194.4 活塞桿的設(shè)計(jì) ......................................................................................................................214.4.1 活塞桿的計(jì)算 .........................................................................................................214.4.2 活塞桿的穩(wěn)定性校核 .............................................................................................214.5 手臂旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì) ......................................................................................................................234.6 手臂升降設(shè)計(jì) .....................................................................................................................254.6.1 臂部做升降運(yùn)動(dòng)時(shí)油缸的相關(guān)計(jì)算 .....................................................................26V4.6.2 油缸內(nèi)徑的計(jì)算 .....................................................................................................264.6.3 油缸壁厚 的計(jì)算 .................................................................................................27?4.6.4 活塞桿的計(jì)算 .........................................................................................................284.7 小結(jié) ...........................................................................................................................29第 5 章 四自由度機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) ............................................................................................305.1 機(jī)械手液壓缸的受力情況 ..................................................................................................305.1.1 大臂升降缸的受力情況 ........................................................................................305.1.2 手爪夾緊缸的受力情況 ........................................................................................305.1.3 手臂伸縮缸的受力情況 ........................................................................................305.2 液壓元件的選擇 ..................................................................................................................305.3 液壓系統(tǒng)原理圖 ..................................................................................................................315.4 小結(jié) ......................................................................................................................................31第 6 章結(jié)論 ..........................................................................................................................................33致謝 ......................................................................................................................................................34參考文獻(xiàn) ..............................................................................................................................................35附錄 ......................................................................................................................................................366第 1 章 緒論1.1 選題背景及研究意義機(jī)械手的研制，加快了世界科技發(fā)展的進(jìn)程；機(jī)械手的誕生，是工業(yè)制造史上的重大突破，提高了工業(yè)制造生產(chǎn)的水平。在這樣的背景下，制造業(yè)里面的機(jī)械手發(fā)展的很是迅速，并且有著十分廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)械手的動(dòng)作都是設(shè)計(jì)好的，主要通過程序來控制機(jī)械手去完成規(guī)定制定的行為動(dòng)作，它主要用于枯燥重復(fù)的流水線工作的完成，特別在一些高溫、危險(xiǎn)的環(huán)境里，去完成對(duì)人來說有困難的工作。雖然目前的機(jī)械手是比較成熟的，但是由于機(jī)械手的制造成本昂貴，因此目前僅應(yīng)用于航天航空等高端領(lǐng)域。所以制造成本低、可以滿足低端領(lǐng)域使用的四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)就刻不容緩了。一旦這種新型機(jī)械手問世，人類不僅會(huì)從傳統(tǒng)的手工加工方式中解脫出來，還能讓人類的生產(chǎn)率得到大幅的提高，進(jìn)而改善人類的工作環(huán)境，從而讓人類的生活變得越來越美好。這種機(jī)械手主要功能是代替人去完成繁重而單調(diào)的重物搬運(yùn)和物品分揀工作 [1]。機(jī)械手的研制不僅有利于生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化程度的提高，還可以減少人力的浪費(fèi)，加快生產(chǎn)的節(jié)奏，因此對(duì)這種機(jī)械手的進(jìn)一步研制就顯得尤為重要。1.2 機(jī)械手概述本課題研究設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)械手的自由度個(gè)數(shù)是四個(gè)。四自由度機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)原理基本相同，但是由于使用領(lǐng)域的不同，所以其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)還是有很大的區(qū)別。雖然結(jié)構(gòu)上有些差異，但是機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)機(jī)械手的控制系統(tǒng)還有驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)這三方面。只有這三方面設(shè)計(jì)的合理，機(jī)械手才能正常運(yùn)行。71.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1 國外機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀世界上第一臺(tái)機(jī)械手是 1958 年美國聯(lián)合公司發(fā)明出來的，控制系統(tǒng)是簡單的示教型的。后來科學(xué)家在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)出了第二代機(jī)械手，對(duì)新一代的機(jī)械手設(shè)計(jì)了更多的新功能，實(shí)用性也增加了不少。隨后的時(shí)間里，美國機(jī)械鑄造公司、Unimate 公司等公司對(duì)機(jī)械手的研發(fā)都很熱情，研究出了具有更多功能的機(jī)械手。日本從 1969 年在美國進(jìn)口了一批機(jī)械手后，充分發(fā)揮了其學(xué)習(xí)模仿的能力，經(jīng)過對(duì)機(jī)械手的研究，日本工業(yè)迅速崛起，尤其是汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，成就了“工業(yè)發(fā)展最迅速”的神話?，F(xiàn)在國外對(duì)機(jī)械手的研發(fā)已經(jīng)很先進(jìn)了，已經(jīng)開始從觸覺和視覺方面去研制新型的機(jī)械手了。這樣的機(jī)械手能夠感應(yīng)外界實(shí)物，不僅能夠聽到外界的聲音，還能夠看到外界的視野，這樣高端的功能是非常厲害的。目前國外工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展方向是柔性制造系統(tǒng)的一整條生產(chǎn)線的全自動(dòng)化生產(chǎn)。圖 1.1 美國早期機(jī)械手圖 圖 1.2 日本機(jī)械手圖1.3.2 國內(nèi)機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀在上個(gè)世紀(jì)八十年代，國內(nèi)才開始對(duì)機(jī)械手進(jìn)行研究，足足比發(fā)達(dá)國家對(duì)機(jī)械手的研究要晚了幾十年。我國的第一臺(tái)機(jī)械手是在上海被研發(fā)成功的，隨后其他城市對(duì)機(jī)械手的研究才開始進(jìn)行。隨著經(jīng)濟(jì)改革開放，國家對(duì)機(jī)械手的研究力度提高了，并且投入了大量的科研人員和大量資金。8圖 1.3 國內(nèi)機(jī)械手圖現(xiàn)在我國研發(fā)的機(jī)械手主要還是用在工業(yè)方面，在其他領(lǐng)域的研發(fā)進(jìn)境不是太好。雖然我國的機(jī)械手運(yùn)用在了工業(yè)方面，但是自主研發(fā)的機(jī)械手因?yàn)楫a(chǎn)量少，且達(dá)不到一些精密儀器生產(chǎn)的要求。一些高精度加工還是引進(jìn)國外淘汰的機(jī)械手，引進(jìn)機(jī)械手的成本較高，所以我國能用得起機(jī)械手的工業(yè)企業(yè)還是很少的。1.4 課題的主要研究內(nèi)容機(jī)械手主要是用在工業(yè)制造生產(chǎn)上，對(duì)物品做流水線式的搬運(yùn)工作。對(duì)于機(jī)械手的功能要求并不多，主要完成大的工作是實(shí)現(xiàn)物體的來回搬運(yùn)。本文機(jī)械手設(shè)計(jì)的研究內(nèi)容如下：（1）機(jī)械手的工作原理機(jī)械手的定位；機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作和抓取動(dòng)作；機(jī)械手的復(fù)位功能。（2）機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計(jì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括機(jī)械手底座、手部、腕部、臂部的設(shè)計(jì)。（3）機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)包括氣動(dòng)和液壓兩部分。（4）機(jī)械手的液壓系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)機(jī)械手的液壓模塊設(shè)計(jì)包括機(jī)械手工作時(shí)液壓缸的受力情況、液壓元件的選取和機(jī)械手工作時(shí)的液壓原理圖的設(shè)計(jì)。9第 2 章 四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的總體方案設(shè)計(jì)2.1 工作原理四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理是仿造人類手臂關(guān)節(jié)的活動(dòng)結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)的，一般機(jī)械手都運(yùn)用在環(huán)境惡劣、流水線或者是危險(xiǎn)性的工作環(huán)境下。本文設(shè)計(jì)的這種四自由度搬運(yùn)機(jī)械手主要功能是搬運(yùn)，具體來說就是把一個(gè)地方的物品搬運(yùn)到固定位置上去，這樣的自動(dòng)化設(shè)備可以有效減輕勞動(dòng)力。本文設(shè)計(jì)的這種四自由度搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)用在流水工作線上 [2]，所以對(duì)四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的活動(dòng)順序和對(duì)時(shí)間的掌控都有比較高的要求了。四自由度搬運(yùn)機(jī)械手在搬運(yùn)物體時(shí)，要保證機(jī)械手能平穩(wěn)，快速，精準(zhǔn)的運(yùn)行。機(jī)械手原理圖如圖2.1 所示。圖 2.1 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡圖102.2 基本參數(shù)要求2.2.1 基本參數(shù)的確定機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)、功能和各種驅(qū)動(dòng)及動(dòng)力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手的基本參數(shù)的確定應(yīng)該是機(jī)械手的第一步。本文設(shè)計(jì)機(jī)械手的基本參數(shù)如下表所示[3]。表 2-1 機(jī)械手工作過程中的主要參數(shù)2.2.2 設(shè)計(jì)要求本課題設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)械手，要求由四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，分別是手臂可以旋轉(zhuǎn)，11還有手臂能夠繞著軸來擺動(dòng)，最后是手臂可以夾緊松開，達(dá)到加持物品的效果。機(jī)械手的工作過程可分為：1）機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是利用電機(jī)傳遞的動(dòng)力，帶動(dòng)傳動(dòng)軸、齒輪運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步帶動(dòng)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)；2）手部的運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)是靠凸輪驅(qū)動(dòng)擺桿，進(jìn)而帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最后經(jīng)過內(nèi)部機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)；3）利用凸輪的運(yùn)動(dòng)原理，使圓通實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)手臂進(jìn)行擺動(dòng)；4）轉(zhuǎn)盤的往復(fù)回轉(zhuǎn)的實(shí)現(xiàn)是通過圓柱凸輪帶動(dòng)齒條、齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)完成的。2.3 整體方案在設(shè)計(jì)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)時(shí)候，要對(duì)實(shí)際的工作環(huán)境還有使用情況詳細(xì)分析，然后根據(jù)情況來設(shè)計(jì)能夠符合要求的機(jī)械手才行。機(jī)械手的設(shè)計(jì)需要滿足的條件：①要留足機(jī)械手的工作空間，并且設(shè)計(jì)的機(jī)械手應(yīng)能夠以多種運(yùn)動(dòng)形式完成不同要求的工作。②機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)該在滿足機(jī)械手具體的工作環(huán)境和要求的前提下，通過對(duì)人的手臂功能的模仿學(xué)習(xí)之后，進(jìn)行機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)、機(jī)械手的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式的設(shè)計(jì) [4]。圖 2.2 機(jī)械手實(shí)物圖圖中 1—機(jī)座，2—液壓缸，3—旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，4—手臂，5—手爪，6—法蘭盤 7—手桿。122.4 小結(jié)本章對(duì)四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的描述，確定了機(jī)械手的基本參數(shù)和設(shè)計(jì)要求，明確了機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案。13第 3 章 四自由度搬運(yùn)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 底座的設(shè)計(jì)機(jī)械手的底座的主要作用是承重，不僅要承受機(jī)器人全部重量，還要承受機(jī)械手的工作載荷，因此需要有較大的強(qiáng)度和剛度。機(jī)械手能否正常工作，取決于底座的安裝基面的大小。由于機(jī)械手對(duì)底座的結(jié)構(gòu)要求較低，只要機(jī)械手的定位合理即可，本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手其底座如圖所示。圖 3.1 底座三維圖143.2 手部的設(shè)計(jì)3.2.1 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)械手夾持爪要根據(jù)手爪的工作環(huán)境來選取，主要參考依據(jù)有被搬運(yùn)物品的質(zhì)量、大小、形狀和機(jī)械手夾持爪的工作行程，本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的參數(shù)為:M=30.0kg,夾持點(diǎn)和轉(zhuǎn)軸中心的最大力臂為 46.0mm,由這些參數(shù)來確定夾持手爪的規(guī)格。夾持手爪夾持物品的夾持力的計(jì)算如下 [5]： 公式 (3.1)G?????321式中 1?——安全系數(shù)，(取值為 1.2~2)；2——工況系數(shù)，一般情況下受器件慣性力的影響較大 , ga???12a——被搬運(yùn)物品的加速度，g——被搬運(yùn)物品的重力加速度；3?——位置系數(shù)；G——被搬運(yùn)物品的重量；分別取 , , ; 則由能公式(3.1) 可得:2.1?5.3??公式(3.2)?????162305.12所以夾持力矩(取最小的夾持力計(jì)算) 為:公式(3.3)mSF?????9.74.6由計(jì)算結(jié)果知，可選取型號(hào)為 SMC,MHC2- 16D- A198S 的手爪，其主要參數(shù)：（1）手爪開合時(shí)間 0.03s；（2）手爪的夾持力矩 75N.m；（3）重復(fù)定位精度為0.02mm。15圖 3.2 手爪結(jié)構(gòu)圖3.2.2 豎直升降模塊的設(shè)計(jì)豎直臂的作用是控制機(jī)械手的升降，它的驅(qū)動(dòng)方式是氣壓驅(qū)動(dòng)，因?yàn)樨Q直臂不易定位，考慮到工作中工作行程和工作壓力等因素的影響，所以本設(shè)計(jì)選取了雙聯(lián)氣缸。由于活塞桿要克服載荷收縮做工，所以氣缸的內(nèi)徑 的大小要結(jié)合機(jī)械手工??作壓力和工作載荷來確定，具體過程如下：公式(3.4) ??PFD14?式中 ——?dú)鈮焊椎膬?nèi)徑 ；?? (??)——?dú)鈮夯钊艿降妮d荷 ；?? (??)——?dú)鈮焊资艿降膲毫?；?? (????)η——?dú)飧卓偟臋C(jī)械效率（ 的取值范圍 0.3~0.5） ；?考慮到氣缸中活塞桿的直徑和具體工作情況的影響：16公式 (3.5) ????PFD145.~01?將 ， 代入公式（3.5）計(jì)算得：a5.0MPp?3.?公式m98.123.0514.415. ?????PFD（3.6）式中 t——豎直臂氣缸的伸縮時(shí)間， s6.0t?s——豎直臂氣缸的收縮行程， mF——豎直臂氣缸的收縮行程， NF15?3.2.3 水平伸縮模塊的設(shè)計(jì)因?yàn)樗奖壑辉谄矫鎯?nèi)運(yùn)動(dòng)，且僅有一端需要定位，所以采用水平鋼桿和氣壓缸組合使用的方法來保證了水平臂的剛性，選用筆形氣缸就可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。將 ， 代入式（3.5）計(jì)算得：a5.0MPp?3.0??公式mPFD5.3.014.3541. ????（3.7） 式中 t——豎直臂氣缸的伸縮時(shí)間， s5.0t?s——豎直臂氣缸的收縮行程， 7mF——豎直臂氣缸的收縮行程， NF10?根據(jù) 3.2.2 和 3.2.3 的計(jì)算結(jié)果，選取型號(hào)為 SMC,CXSM10-70-Z75 的氣缸，其重復(fù)定位精度為 .020mm。0173.3 腕部的設(shè)計(jì)3.3.1 概述機(jī)械手的手部與臂部是靠腕部進(jìn)行連接的，腕部對(duì)手部有支承作用。因?yàn)橥蟛孔饔玫闹匾?，所以腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量緊湊，材料選取密度較小的，這樣的腕部重量較輕，轉(zhuǎn)動(dòng)起來比較靈活 [6]。本課題設(shè)計(jì)的機(jī)械手腕部具體結(jié)構(gòu)如下圖所示。圖 3.3 腕部結(jié)構(gòu)圖3.3.2 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的確定機(jī)械手手腕回轉(zhuǎn)時(shí)，啟動(dòng)產(chǎn)生的慣性力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔之間的摩擦阻力矩、密封裝置的摩擦阻力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線不重合產(chǎn)生的偏重力矩對(duì)手腕的回轉(zhuǎn)影響較大，因此在設(shè)計(jì)手腕時(shí)就不得不從這幾方面進(jìn)行入手。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩具體可按下式來計(jì)算 [7]：公式摩偏慣驅(qū) M??（3.8） 式中 M 驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩M 慣——慣性力矩 M 偏——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M 摩——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 腕部回轉(zhuǎn)時(shí)受力如圖所示。18圖 3.4 腕部回轉(zhuǎn)力矩圖⑴ 摩擦阻力矩 M 摩公式??21DNf??摩（3.9） 式中 f——軸承摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取 f=0.020，滑動(dòng)軸承取 f=0.10；N1 、N2 ——軸承的支承反力；D1 、D2 ——軸承直徑由設(shè)計(jì)參數(shù)得 , , , , ， m04.?06.2N701?3022.?ef=0.10。由公式（3.9）代入數(shù)值計(jì)算可得公式??mM?????3.2206.704.1摩（3.10）⑵ 工件重心偏置力引起的偏置力矩 M 偏公式eG??1偏（3.11） 式中 G1——工件重量（N）e——偏心距19將 e=0.02，G1=300 N 代入公式（ 3.11）計(jì)算得公式mNM??6偏（3.12）⑶ 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩 M 慣 公式 ??tJ?工 件慣 ??（3.13） 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度（1/s）t——手腕啟動(dòng)過程中所用時(shí)間（s）J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m ）2J 工件——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m ） 2由已知計(jì)算得 J=3.0，J 工件 =6.0， =0.30m/ m ,t=1.50s,代入公式?2（3.13）得公式??NM???8.15.306慣（3.14） 由于受到驅(qū)動(dòng)缸密封處摩擦損失的影響，設(shè)計(jì)時(shí) M 的取值應(yīng)該比理論值偏大，一般按下式進(jìn)行計(jì)算 [8]。 公式??摩偏慣驅(qū)M??2.1~（3.15） 將公式（3.10） 、 （3.12） 、 （3.14）計(jì)算的結(jié)果代入得公式??mN????12.3.68.12驅(qū)（3.16）20綜上計(jì)算知手腕驅(qū)動(dòng)力矩為 12.12 mN?3.4 臂部的設(shè)計(jì)3.4.1 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇臂部不僅是用來支承手部和腕部的主要部件，也是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它不僅承受手臂自身的重量，還要承受手部、手腕、和被抓取工件的重量。手臂的設(shè)計(jì)是否合理將直接影響機(jī)械手的工作性能，因此手臂的設(shè)計(jì)必須考慮以下因素的影響 [8]：①機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)速度和定位精度的要求② 手臂受力情況、導(dǎo)向裝置和油缸的分布、手腕與內(nèi)部管路的連接方式。綜合剛度、導(dǎo)向性、偏重力矩和穩(wěn)定性等因素對(duì)機(jī)械手臂部的設(shè)計(jì)的影響，本設(shè)計(jì)選擇的手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，其驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng),液壓缸選取雙聯(lián)液壓缸。3.4.2 手臂偏重力矩的確定手臂偏重力矩的計(jì)算公式公式LGM???總偏（3.17）經(jīng)過初步計(jì)算可得 ， ， ， 。NG30?物 10手 N20腕 G40?臂所以手臂所受的外力為公式1042103????總（3.18）初步取各部分長度為 ， ， ，mL90物 L8手 mL65腕mL50?臂計(jì)算出平均偏重長度為公式GLLGL 6801???手腕手物 臂手腕腕手手物物21（3.19）由公式（3.17）代入數(shù)據(jù)計(jì)算得偏重力矩為公式mNLGM?????680.10總偏（3.20）3.5 小結(jié)本章確定了機(jī)械手的機(jī)身底座、手爪的相關(guān)數(shù)據(jù)以及確定了水平升降模塊和垂直升降模塊的氣缸內(nèi)徑和型號(hào),對(duì)機(jī)械手的手臂、腕部和臂部進(jìn)行了設(shè)計(jì)。22第 4 章 四自由度機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 氣動(dòng)元件的選用氣壓泵是氣壓回路的心臟，主要為回路提供動(dòng)力。進(jìn)行氣動(dòng)回路設(shè)計(jì)時(shí)，首先要完成氣壓泵的選擇。而氣壓泵的選擇主要確定氣壓泵的類型和氣壓泵具體型號(hào)，氣壓泵的類型要根據(jù)氣壓回路對(duì)氣壓的特性要求來確定，氣壓泵的具體型號(hào)是由氣壓回路中氣壓缸的耗氣量總和、所需的氣體壓力、氣壓泵的吸入流量和氣壓泵的輸出氣壓進(jìn)行參考選取的 [10]。氣缸的換氣量 主要受氣缸的直徑 、氣缸的動(dòng)作時(shí)間、行程 、氣缸管道內(nèi)Q D S的容積、換向閥到氣缸管道的容積等因素的影響，為了方便計(jì)算，一般忽略這些因素的影響，因此在單位時(shí)間內(nèi)氣缸內(nèi)空氣耗氣量 的計(jì)算過程如下：Q21?或，公式（4.1）124tSDQ????24td?式中 Q——在單位時(shí)間內(nèi)氣缸壓縮氣體的消耗量( )；??3??Q1——無活塞桿端氣缸進(jìn)氣的情況下壓縮氣體的消耗量（ )；??3??——有活塞桿端氣缸進(jìn)氣的情況下壓縮氣體的消耗量（ )；??2??3??t1、t2——?dú)飧變?nèi)活塞的往返程時(shí)間（ ） ；s——?dú)飧變?nèi)活塞的行程（ ） ；S m——?dú)飧變?nèi)部的直徑（ ） ；D m——?dú)飧變?nèi)活塞桿的直徑（ ） ；?? m23①水平臂氣缸內(nèi)的壓縮空氣耗氣量計(jì)算過程如下：由公式（4.1）計(jì)算得：公式smtSDQ/3.16.041.322????（4.2）式中 t——水平臂氣缸壓縮空氣的時(shí)間，t=0.6ss——水平臂氣缸壓縮空氣的行程，s=60mmD——水平臂氣缸的缸徑，D=13mm②豎直臂氣缸內(nèi)的壓縮空氣耗氣量計(jì)算過程如下 [10]：由公式（4.1）計(jì)算得：公式smtSDQ/103.5.0471.33222 ?????（4.3）式中 t——豎直臂氣缸壓縮空氣的時(shí)間，t=0.5ss——豎直臂氣缸壓縮空氣的行程，s=70mmD——豎直臂氣缸的缸徑，D=35mm綜上①②兩部分的計(jì)算,本課題最后選用參數(shù)為： ????:0.0178;220??50????;.80MPa；0.245kw 的氣壓泵。04.2 氣動(dòng)系統(tǒng)中各控制和輔助元件的選用在氣動(dòng)系統(tǒng)中，氣壓泵、控制閥、氣動(dòng)回路和執(zhí)行氣動(dòng)缸的相互配合是機(jī)械手完成指定的工作要求和任務(wù)的關(guān)鍵。氣動(dòng)控制閥保證了整個(gè)氣動(dòng)回路的有序運(yùn)行，氣動(dòng)回路中的各類控制閥控制各執(zhí)行元件的動(dòng)作順序和速度的方式是通過改24變壓縮空氣的方向和流量來控制的，氣壓泵的壓縮空氣進(jìn)而帶動(dòng)各氣壓缸等執(zhí)行元件的工作。4.2.1 方向控制閥的選用在氣壓回路中，執(zhí)行元件的啟動(dòng)、停止和方向變化是由方向控制閥來控制的。它的工作原理是通過改變壓縮氣體的方向及通斷，來控制氣動(dòng)回路中的執(zhí)行元件完成指定要求的工作。方向控制閥種類較多，可以將其分為如下 3 類 [11]：（1）按閥內(nèi)空氣流通方向分為：①單向型控制閥；②雙向控制閥。（2）按控制方式分為：①電磁控制型換向閥；②氣壓控制換向閥；③機(jī)械換向閥；④人力控制閥。（3）按照定義分為：①按閥內(nèi)換氣端口的數(shù)量定義為幾通閥②按閥內(nèi)閥芯有、切換工作位置的數(shù)目定義為幾位閥。所研究的機(jī)械手要滿足①自動(dòng)控制的要求②氣缸工作時(shí)的具體要求，綜合考慮了機(jī)械手的技術(shù)要求，所以本課題選擇了先導(dǎo)性 2 位 5 通電磁換向閥。4.2.2 流量控制閥的選用通過流量控制閥對(duì)機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作元件的速度進(jìn)行有效的控制，機(jī)械手才能保證其動(dòng)作過程的完整進(jìn)行。流量控制閥是通過控制流過流量控制閥的氣流流通截面積的改變來控制氣動(dòng)回路中的流量，流量控制閥大體上可以分為 3 種：①排氣節(jié)流閥②節(jié)流閥③單向節(jié)流閥。因?yàn)楸菊n題所選用的是雙向工作氣缸，所以需要 2 個(gè)單向節(jié)流閥組合的來實(shí)現(xiàn)。4.2.3 壓力控制閥的選用壓力控制閥作為氣動(dòng)回路中首選氣壓元件，它的功能是控制回路中氣流壓力的變化，按照功能可以將其分為：①減壓閥；②順序閥；③溢流閥（安全閥） 。本課題所選用的是溢流閥，它主要用于氣壓泵的出口處，當(dāng)回路中壓力過大時(shí)，可以對(duì)整個(gè)回路起到過載保護(hù)作用。254.3 液壓模塊計(jì)算4.3.1 液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算本課題所設(shè)計(jì)機(jī)械手的手臂伸縮速度為 250.0mm/s，其行程 L=400.0mm，其抓重 300.0N； 公式慣回密摩 FF??（4.4）式中 ——摩擦阻力； 摩F——密封裝置處的摩擦阻力；密——液壓缸回油腔內(nèi)的低壓油液所造成的阻力；回F——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，活塞桿所受到平均慣性力。慣其中 、 、 、 的具體計(jì)算如下。摩F密 慣 慣F（1） 的計(jì)算。摩本課題設(shè)計(jì)導(dǎo)向桿是截面為圓柱面的雙向?qū)驐U，導(dǎo)向桿對(duì)稱均布在伸縮缸的兩側(cè)，啟動(dòng)開始時(shí)，導(dǎo)向桿受到摩擦阻力較大， 具體計(jì)算如下:摩F由于導(dǎo)向桿的配置是對(duì)稱的，兩個(gè)導(dǎo)向桿的受力情況是相同的，因此計(jì)算過程中只計(jì)算一個(gè)導(dǎo)向桿。公式0??AM（4.5）公式baFLG總（4.6）26公式 aLGF總??b（4.7）公式?0Y（4.8）公式abFG??總（4.9）由公式（4.5） 、 （4.6） 、 （4.7） 、 （4.8） 、 （4.9）聯(lián)合得公式????????aLFa總（4.10）公式??????????aLGF2總摩 ?（4.11）式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零部件和工件所受的總重力,本設(shè)計(jì)具體值為總G??N50230???總L——支承桿和手臂結(jié)構(gòu)的重量的中心的距離, ；mL10?a——導(dǎo)向支承桿的長度, ;m150?a——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值受導(dǎo)向支承桿的截面形狀影響。??對(duì)于圓柱面來說 的計(jì)算如下:?取 =1.5??????57.1~2.~4?????????? '27——摩擦系數(shù)?常見材料的摩擦系數(shù)如下：①鋼對(duì)青銅: 取 ②鋼對(duì)鑄鐵: 取15.0~??，3.0~18.?取 ， 代入已知數(shù)據(jù)得.?公式NaLGF 175150215.02???????????????????總摩 ?（4.12）（2） 的計(jì)算 密液壓缸密封處的總摩擦力計(jì)算如下:公式FF03.21??封封（4.13）公式dLp?3封（4.14） 式中 ——驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)d——伸縮油管的直徑,d=70mm；P——工作壓力(Pa)；P<10.0MPa,μ 取值范圍為 0.0230~0.050,取p=4.0Mpa, =0.050；?L——密封的有效長度。公式02Kd??（4.15）公式14.~8.（4.16）28公式20KdL??（4.17） 取 =10mm,K=0.1 代入公式（4.17）計(jì)算得0d公式mL501.2102????（4.18）公式 (4.19)NF96.4374.33 ???封（3） 的計(jì)算 回F由于背壓阻力較小，F(xiàn) 回的計(jì)算一般取 F05.?回（4） 的計(jì)算慣公式tgGF???總慣（4.20）公式(4.21)Ntg205.10????總慣式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力(包括工件重量)（N ）G總g——重力加速度，取 10 2/ms——靜止加速到常速的速度變化量vA sm/2.0???——啟動(dòng)過程的時(shí)間(s)，其取值范圍為 ，取t 5.~1=0.050s。tA綜上（1） 、 （2） 、 （3） 、 （4）的計(jì)算，所求驅(qū)動(dòng)力為，F(xiàn)=453.13N 公式（4.22）294.3.2 液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸（1）液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算①油進(jìn)入無桿腔的情況如下：公式??421DPF?（4.23）② 油進(jìn)入有桿腔的情況如下：公式?????422dDPF??（4.24）液壓的有效面積:公式1PFS?（4.25）由公式（4.23） 、 （4.24）代入數(shù)值計(jì)算得 公式(4.26)mPFD391095.4313.42??????無公式(4.27)d821??有由計(jì)算結(jié)果查表 4-1 得，液壓缸內(nèi)徑 D 取整 D=40mm式中 F——驅(qū)動(dòng)力〔N)；——液壓缸的工作壓力,取 =4Mpa；1p1pD——活塞缸內(nèi)徑〔m)；30d——活塞桿直徑(m)；——液壓缸機(jī)械效率，取 。?950.??表 4-1 液壓缸工作壓力表表 4-2 液壓缸內(nèi)徑系列 JB826-66（mm）（2）液壓缸壁厚計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中，液壓缸壁厚計(jì)算有下列三種情況 [11]:①中等壁厚， 時(shí)，162.3??D公式????cP?????13.2（4.28）公式??m605.1423. ??????31（4.29） 式中 ——液壓缸內(nèi)的工作壓力1PMPa——鋼管的強(qiáng)度系數(shù)，其中無縫鋼管 =1??——計(jì)入管壁公差及侵蝕的附加厚度cD——液壓缸內(nèi)徑（m）②壁薄， 時(shí)，16??公式????21DP?（4.30）公式m420??（4.31）③壁厚， 時(shí)，由 得2.3??D??nb??公式???????????13.402PD??（4.32）公式m1043.1204????????????（4.33）式中 ——材料的抗拉強(qiáng)度（ ）b?MPan——安全系數(shù)，n 的取值范圍為 3.5~5——常用缸體材料的許用應(yīng)力[ ]?[ ]?32常見幾種材料的許用應(yīng)力如下，鍛鋼 的取值范圍為 110.0~120.0Mpa,本[ ]?文取用 =120.0Mpa；鑄鐵 =60.0Mpa；無縫鋼管 的取值范圍為[ ]?[ ][ ]100.0~110.0Mpa。表 4-3 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸徑（JB68~67） （mm）4.4 活塞桿的設(shè)計(jì)4.4.1 活塞桿的計(jì)算因?yàn)榛钊麠U直 d 由強(qiáng)度條件決定,故具體計(jì)算要考慮拉、壓強(qiáng)度的影響，計(jì)算過程如下 [12]:公式 (4.34)??nb??公式??24dF（4.35）碳鋼 ,取 ; 一般不小于 1.4，取??a120~Mp????pa10??n1.4n?由公式（4.34） 、 （4.35）計(jì)算得公式 (4.36)??mFd 710214.3.523??????由公式（4.36）結(jié)果得，活塞桿直徑 d 取整 d=10mm4.4.2 活塞桿的穩(wěn)定性校核由活塞桿長度和直徑的關(guān)系來確定是否進(jìn)行穩(wěn)定性校核。當(dāng)括塞桿長度L＞15d 時(shí)，就必須進(jìn)行校核了，校核過程如下 [11]：33公式KNP?（4.37）式中 ——臨界力（N） ，由材料力學(xué)中的有關(guān)公式計(jì)算可得。KP——安全系數(shù)，其取值范圍為 4~2?KN活塞桿的臨界力有三種情況，具體情況如下：（1）大柔度桿當(dāng) 時(shí)，臨界力 為1????iLKF公式(4.38)JEK??2?式中 ——柔度系數(shù)，活塞桿的計(jì)算柔度?i——活塞桿橫截面的慣性半徑（m）, 4dFJi?J——活塞桿截面對(duì)中性軸的慣性矩（ ） ，4m6JE——彈性橫量，E=210GPa——長度折算系數(shù)，?——特定的柔度值， ， 為比例極限。1?PE???1（2）中柔度桿當(dāng) 時(shí)，臨界力 為12??KF34公式???baFK??（4.39）式中 F——活塞桿橫截面積（ ）2ma、b——與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，——特定的柔度值， ， 為屈服極限2?ba22?????（3）短壓桿短壓桿的時(shí)候，由于 ，此時(shí)活塞桿 L<15d,因此不進(jìn)行壓桿穩(wěn)定的校核。2?4.5 手臂旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)由機(jī)械手手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來確定機(jī)械手手臂的回轉(zhuǎn)液壓缸，回轉(zhuǎn)液壓缸做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受力情況如圖 4.1 所示。圖 4.1 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)受力圖機(jī)械手手臂的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算如下：公式回摩慣驅(qū) M??（4.40）35（1）密封裝置處的摩擦力矩公式????摩摩摩 M（4.41）估計(jì)取 , ；取回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 ,輸出軸與動(dòng)片聯(lián)NF50??80? mD230?接處的直徑為 , 1md公式(4.42)NRF·5.5????摩公式 (4.43)rM162·23082????摩公式(4.44)m4N16???摩(2)手臂啟動(dòng)時(shí)的慣性力矩公式 (4.45)tJ????0慣式中 ——?jiǎng)悠撬俣鹊淖兓?，啟?dòng)時(shí) ， 。???sm/60???——啟動(dòng)過程所需的時(shí)間（s）,取t st5.0公式2c0?gGJ??（4.46）式中 ——回轉(zhuǎn)零件相對(duì)于重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量cJ公式12mlJc?（4.47）將手臂回轉(zhuǎn)零件質(zhì)量 ，回轉(zhuǎn)時(shí)手臂長度 代入公式kg60ml250?（4.45） 、 （4.46） 、 （4.47）中計(jì)算得公式(4.48)23015.??cJ公式 (4.49) 8.620??36公式(4.50)mNM????605.320?慣（3）回轉(zhuǎn)液壓缸回油腔的背壓反力矩公式??2rRbpdRr????回（4.51）取 ,MpaP8.1?mb0公式 (4.52)??mN??????680105.21.82回公式(4.53)??4964驅(qū)①驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算公式??2pdDbdMRr?????驅(qū)（4.54）圖 4.2 回轉(zhuǎn)液壓缸計(jì)算圖②回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D 的計(jì)算根據(jù) 公式??驅(qū)驅(qū) M（4.55）37公式??2dDpbM??驅(qū)（4.56）公式2dbp??驅(qū)（4.57） 式中 D——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（m）M 驅(qū) ——作用在動(dòng)片的外載荷力矩b