通用液壓機械手的設計【四自由度】,四自由度,通用液壓機械手的設計【四自由度】,通用,液壓,機械手,設計,自由度 摘 要 在現(xiàn)代的制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，同時中國各大城市的勞動力出現(xiàn)緊張的現(xiàn)象，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用，其發(fā)展趨勢十分迅猛。它的技術水平和應用程度反映了一個國家現(xiàn)代工業(yè)化的水平。目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，在某些復雜的裝配生產(chǎn)中也逐步被采納。 通過對機械設計制造及其自動化專業(yè)大學所學知識，對機械手各部分機械結(jié)構(gòu)和功能的了解和分析，設計了此液壓傳動機械手。本課題重點針對機械手的手部、腕部、臀部等各部分機械結(jié)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)進行了詳細的設計與計算。大致可分為機械手的總體設計、機身結(jié)構(gòu)的設計、機械手手臂結(jié)構(gòu)的設計、機械手腕部的結(jié)構(gòu)設計、手部的結(jié)構(gòu)設計、機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設計以及液壓系統(tǒng)的設計。本設計的機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工機械手，在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，可抓取材料特殊的工件，并保證工件不變形損壞。 關鍵詞：手部，腕部，臂部，液壓系統(tǒng) IV ABSTRACT In the modern large-scale manufacturing industry, enterprises pay more attention on the automation degree of the production process in order to enhance the production efficiency, and guarantee the product quality，saving in labor. At the same time, with the phenomenon of labor force in China's cities appeared, industrial robot, as an important member of automation production line, gradually become enterprise is accepted and adopted, its development trend is very rapidly. The technique level and the application degree of industrial robots reflect the national level of the industrial automation to some extent, currently, industrial robots mainly undertake the job of welding, spraying, transporting and stowing etc. , which are usually done repeatedly and take high work strength, and most of these robots work in playback way. Integrate the knowledge of Machine, discuss and analysis the each part and function of manipulator; design a kind of cylinder coordinate manipulator used to pack and unload work piece for CNC machine tools. In particular, made the detailed design about base, arm, and end device and the control system etc. including Total design, waist’s construction design, the arm’s construction design, the wrist’s construction design, the end device’s construction design, and the drive system of manipulator. At the same time, analysis and compute the hydraulic pressure system and control system. The design of the manipulator can be catch and put objects in space flexibility. It can also replace artificial to operate at high temperatures and dangerous areas and can grab weight larger artifacts, guaranteeing the work piece deformation damage. Key words: Manipulator ,Hand,Wrist ,Buttock,Hydraulic system 目 錄 第1章 緒論 2 1.1工業(yè)機械手概述 2 1.1.1機械手的應用性 3 1.1.2機械手的先進性 3 1.2設計目的 4 1.3設計的內(nèi)容及要求 4 第2章 機械手方案設計 5 第3章 機械手的機械結(jié)構(gòu)設計 7 3.1 手部設計 7 3.1.1夾鉗式手部設計的基本要求 8 3.1.2夾鉗式手部的典型結(jié)構(gòu) 8 3.1.3滑槽杠桿式手部的設計計算 8 3.2腕部設計 12 3.2.1腕部的結(jié)構(gòu)形式 12 3.2.2手腕驅(qū)動力矩的計算 13 3.3臂部的結(jié)構(gòu) 16 3.3.1手臂直線運動機構(gòu) 16 3.3.2手臂伸縮運動 16 3.3.3 導向裝置 17 3.3.4手臂的升降運動 18 3.3.5手臂回轉(zhuǎn)運動 18 3.3.6手臂的設計計算 19 第4章 液壓系統(tǒng)的設計 24 4.1各種驅(qū)動系統(tǒng)特點 24 4.2機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 24 4.3機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 25 4.4液壓系統(tǒng)簡單計算 27 4.5液壓系統(tǒng)的性能驗算 29 4.5.1系統(tǒng)壓力損失驗算 29 4.5.2系統(tǒng)總效率驗算 30 4.5.3系統(tǒng)發(fā)熱升溫驗算 31 第5章 機械手的使用與維護 32 5.1 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護 33 5.2 一般技術安全事項 33 結(jié) 論 34 參考文獻 35 致 謝 36 第1章 緒論 機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取、移動工件功能的自動化裝置。近年來，隨著電子技術，特別是電子計算機的廣泛應用，機器人的研制和生產(chǎn)已經(jīng)成為高科技術領域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好的實現(xiàn)機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的機械式工作，可以減輕人類的勞動強度，提高生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的獲得了應用，在機械行業(yè)中，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化的數(shù)控機床、組合機床上使用更為頻繁。把車床設備和機械手組成一個共同的機械加工制造單元，應用于中小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件運輸裝置，結(jié)構(gòu)緊湊且實用性較強。目前，我國的工業(yè)機器人技術應用的水平和國外相比還有一定的距離，應用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，技術還不夠成熟，機械手的研究和開發(fā)直接關系到我國自動化生產(chǎn)水平的提高。因此，進行機械手的研究和設計是十分有意義[1]。 1.1工業(yè)機械手概述 美國是最早研究機械手的國家。1954年由美國學者戴沃爾提出了關于工業(yè)機器人的相關概念，并且申請了專利。此項專利其中說：通過借助伺服技術，控制機器人的關節(jié)，然后利用人手，對機器人進行相關動作的示教，機器人完成其相關的動作，這個就是示教再現(xiàn)機器人。當今社會發(fā)明的機器人基本上都是采用這種控制方式。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出了第一臺機械手鉚接機器人。作為機器人產(chǎn)品最早的實用機型（示教再現(xiàn)）是1962年美國AMF公司推出的“VERSTRAN”和UNIMATION公司推出的“UNIMATE”。 工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的，應用于自動化生產(chǎn)的一種高科技設備。工業(yè)機械手是工業(yè)機器人的一個重要組成部分。它的特點是：可通過編程來完成機械手各種預期的作業(yè)任務，在構(gòu)造和性能上兼?zhèn)淙撕蜋C器各自的優(yōu)點，充分體現(xiàn)了人的智能和適應性[2]。 機械手現(xiàn)今有很多的種類，按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手；按驅(qū)動方式可以分為液壓式、電動式、機械式機械手；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等?！? 機械手主要由手部、運動機構(gòu)、控制系統(tǒng)三大部分組成。手部是用于抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量和作業(yè)要求可以分為多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構(gòu)是使手部完成轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復合等各種運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，來改變被抓持物件的位置和姿勢?？刂葡到y(tǒng)是通過對機械手每個自由度電機的控制，來完成機械手特定的動作的。同時接收傳感器反饋過來的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制。控制系統(tǒng)的核心通常是由單片機等微控制芯片構(gòu)成，通過對其編程實現(xiàn)所需要的功能[3]。 1.1.1機械手的應用性 1、有利于提高生產(chǎn)過程的自動化程度。應用機械手，可以提高草料的傳送、工件的裝卸以及機器的裝配等自動化程度，因此可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)共贏生產(chǎn)機械化和自動化的目的。 2、有利于提高改善勞動條件、有效的使事故大大減小。在高溫、低溫、有放射性、噪聲、臭味、以及其它毒性污染的工作空間狹窄等場所中，如果直接用手操作的話，非常的危險。但是如果應用機械手的話，在很大程度上地改善工人的相對勞動條件，也有利于提高生產(chǎn)率。并且在某些動作簡單可是重復作業(yè)的機械式操作里面，要是用機械手代替人手進行工作，可以大大避免由于操作疲勞等原因造成的相關人身事故。 3、有利于減少人力，便于生產(chǎn)有節(jié)奏的進行。應用機械手代替人工進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，另外由于機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另外一個側(cè)面。因此，在目前的自動化機床和綜合加工自動化生產(chǎn)線上幾乎都設有機械手，以便于減少人力以及更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，使生產(chǎn)有節(jié)奏地進行[4]。 1.1.2機械手的先進性 機械工業(yè)發(fā)展的規(guī)模和技術水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學技術水平的一個重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展經(jīng)濟戰(zhàn)略的重點之一。生產(chǎn)水平和科學技術的不斷發(fā)展和進步帶動了整個機械工業(yè)的快速發(fā)展?，F(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為發(fā)展的重點。然而在機械工業(yè)中，許多加工、裝配等生產(chǎn)還是不連續(xù)的。如果單靠人力將這些不連續(xù)的生產(chǎn)工序銜接起來，不僅費時費力而且效率也低，同時人的勞動強度也會非常大，有時還會出現(xiàn)失誤甚至傷害。顯然，這嚴重影響和制約了整個生產(chǎn)過程的效率和自動化程度。機械手的應用很好的解決了這一問題，它不存在重復的偶然失誤，也能在一定程度上避免了人身事故。 工業(yè)機械手在近代，是一項新的技術，而且快速成長，很短的時間里已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)體系里面的一個非常重要的一點，這種技術也逐漸發(fā)展成為一個新的學科——機械手工程。機械手涉及到機械學、力學和電器液壓技術、傳感器技術、自動控制技術、還有計算機技術等諸多學科領域，是一門跨多學科技術[5]。 1.2設計目的 畢業(yè)設計是學生完成專業(yè)教學計劃的最后一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)，通過畢業(yè)設計可以使學生在綜合運用所學的基本理論、基本知識與基本技能去解決專業(yè)范圍內(nèi)的工程技術問題進行的一次基本的訓練。也對學生即將從事的工作和未來事業(yè)的開拓具有一定的意義。 其主要目的： 鍛煉學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般技術問題的能力，鞏固和深化學生的基本知識。 鍛煉學生樹立正確的設計思想和設計構(gòu)思以及創(chuàng)新思維的能力。掌握工程設計的一般程序規(guī)范和方法。 鍛煉學生使用技術資料、國家標準手冊、圖冊工具進行設計計算，進行數(shù)據(jù)處理，編寫技術文件等方面的工作能力。 鍛煉學生進行研究調(diào)查，面向生產(chǎn)，面向?qū)嶋H，向工人和技術人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。 1.3設計的內(nèi)容及要求 此次設計主要內(nèi)容是基于液壓系統(tǒng)的機械工業(yè)手的設計。主要分三個部分:機械部分、驅(qū)動部分、控制部分。本次設計的主要內(nèi)容是機械部分和驅(qū)動部分。對于機械部分，主要是對機械手的手部、腕部、臂部和機身進行設計，通過對各個部分的受力分析，設計出符合參數(shù)要求的零部件。對于驅(qū)動系統(tǒng)，采用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，擬訂液壓系統(tǒng)方案，井對系統(tǒng)方案安全性可靠性進行論證。 此次設計的要求或技術指標： 1. 采用圓柱坐標 2. 具有4個以上自由度 3. 機械手抓緊重量為5-30KG 4. 手臂運動行程和速度 水平伸縮：500 mm,750 mm/s 升降：100mm,250mm/s 回轉(zhuǎn)：220°，110°/s 5. 定位采用點位控制，定位精度為1mm 第2章 機械手方案設計 方案一：可以采用如圖2.1所示結(jié)構(gòu)的機械手： 1-機座 2-手臂升降液壓缸 3-手臂回轉(zhuǎn)液壓缸 4-手臂伸縮液壓缸 5-手腕回轉(zhuǎn)液幾缸 6-手部 圖2.1 機械手簡圖 該方案中機械手采用圓柱式坐標，其運動系包含兩個直線運動和兩個回轉(zhuǎn)運動，即沿X軸方向的伸縮，沿Z軸方向的升降和繞X軸和Z軸的回轉(zhuǎn)。此種設計的機械手占地面積小而且活動范圍大，結(jié)構(gòu)簡單，井且能達到較高的定位精度。這種機械手主要部件由四個液壓液壓缸組成:手臂升降液壓缸、手臂回轉(zhuǎn)液壓缸、手臂伸縮液壓缸和手腕回轉(zhuǎn)液壓缸，如圖2.1的機械簡圖所示。 方案二：可以采用如圖2.2的機械手： 1、機身 2、液壓缸 3、手腕 4、手部 圖2.2 機械手簡圖 此方案采用全液壓系統(tǒng)控制，實現(xiàn)4自由度的工作，實現(xiàn)方式也非常的簡單，可以根據(jù)推程實現(xiàn)不同工況，這種機械手是由四大部分組成的，其中，機身部分可以旋轉(zhuǎn)滿足一個自由度，液壓缸部分可以完成上下的運動，手腕部能夠進行旋轉(zhuǎn)，手指部分進行抓到工件，這種機械手可以是用液壓來進行全部的操作，也可以是用電來進行控制，這種機械手的優(yōu)點是，它的運行比較其他的而言可以進行一些比較高物件的加工，它的可選擇范圍也是很大的，面積也是非常的廣，缺點或者不足之處是這個機械手不是很容易的去安裝，當不要繼續(xù)使用的時候也不好往下拆，而且這種機械手的造價一般也是比較的昂貴。一般情況下，我們的工廠或者企業(yè)里面用的不是特別的廣泛。就是從以上的這些方面來看，它在運動軌跡方面不如第一個方案的簡單一些，等驅(qū)動裝置使用相對較多，維護相對困難一些。 由此可見，選擇第一種方案比較的合適一些。 第3章 機械手的機械結(jié)構(gòu)設計 3.1 手部設計 手部，一般是用來夾持工件的部件，因為被握持工件的尺寸大小、重量、材料性能、形狀、表面狀況等的不同，因此機械手的手部結(jié)構(gòu)多種多樣，多數(shù)手部結(jié)構(gòu)都是由特定工件的要求來設計。大部分的手部，根據(jù)握持工件原理，可分為夾持及吸附兩大類。 夾持類一般有夾鉗式，還有鉤托式和彈簧式。 吸附類的有氣吸式和磁吸式。 由于所設計的是通用型的機械手，因此對手部應具有通用性，能適應與不同的場合。因此，采用可更換的手部結(jié)構(gòu)或組合式的手部結(jié)構(gòu)，但是組合式的手部結(jié)構(gòu)比較復雜。 平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，適用于夾持平板、放料。在夾持直徑不同的圓棒時，不會引起中心位置的偏移。但是這種手指結(jié)構(gòu)比較復雜、體積大，要求加工精度高。 夾鉗式的手部結(jié)構(gòu)比較簡單，是由手指、和驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)三部分組成，它對于抓取多種形狀的工件也有比較大的適應性，其中能夠抓取軸、套類零件。運用行廣泛，因此這里選用夾鉗式手部結(jié)構(gòu)進行設計[6]。 3.1.1夾鉗式手部設計的基本要求 1.應具有適當?shù)募泳o力和驅(qū)動力，手指握力的大小要適宜，力量過大則動力消耗多，不經(jīng)濟，結(jié)構(gòu)龐大，甚至會破壞工件。力量太小就夾持不住或者產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力的時候，除了要考慮工件重量，還要考慮到傳送或操作中產(chǎn)生的慣性力和振動，以此保證工件夾持的安全可靠。 2.手指也有開閉的一些范圍，手指要有一定的開閉角度△V或開閉距離(對平移型手指從張開到閉合的直線移動距離)△S，以此來方便工件。 3.盡量能夠要保證加工精度，使工件有比較正確的位置。這對于方位要求的地方，比如有曲拐、凸輪軸等工件，在機床上安裝的位置要求非常嚴格，所以機械手在手部夾持工件以后要保持一定的相對位置精度。 4.要求結(jié)構(gòu)必須緊揍、重量輕、效率高，需要在保證其強度前提下，盡量要結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以使手臂的重量減少。 5.考慮通用性及特殊要求，普通下，手部一般是專用的，為了能夠擴大使用范圍，提高其通用化程度，以此來夾持不同尺寸和形狀的工件、，一般采用手指可調(diào)辦法。除此，還需要考慮是不是適應工作環(huán)境的特殊要求，例如耐高溫、耐腐蝕、能承受鍛錘沖擊力等。 3.1.2夾鉗式手部的典型結(jié)構(gòu) 主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式: （1)回轉(zhuǎn)型 有滑槽杠桿式、連桿杠桿式、內(nèi)卡式、彈簧杠桿式等形式。 （2)移動型 移動型即手指相對支座作往復移動。 (3)平面平行移動型 這里選用滑槽杠桿式 3.1.3滑槽杠桿式手部的設計計算 一、驅(qū)動力的計算 1.手 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 圖3.1 滑槽杠桿式手部受力分析 如圖為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷軸2向上拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指滑槽對銷軸的反作用力為、 ，其力的方向垂直于滑槽中心線O1和O2并指向O點，和的延長線交O1O2于A及B，∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即[1] ∑Fx=0 得 ; ∑Fy=0 得 (3.1) 銷軸對手指的作用力為。手指握緊工件時所需要的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并且設兩力的大小相等，方向相反，以表示。由于手指的力矩平衡條件，即得 (3.2) h=a/cosα F= (3.3) 式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（mm） α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角； 由此可知，當驅(qū)動力F一定時，α角增大則握力也增加，但α角過大會導致拉桿行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使其結(jié)構(gòu)加大，所以，一般α=30°~40°。這里取角α=30° 。 此種手部的結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，手指開閉角大等特點。綜合上面驅(qū)動力的計算方法，可以求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力F實際應按照下面公式計算，即[4]： (3.4) 二、 夾緊缸的設計計算 夾緊裝置是使手指夾緊工件的動力裝置，選用液壓驅(qū)動，為單向作用缸，回程用彈簧驅(qū)動，手指夾緊工件時，手指對工件的夾緊力按下列公式計算[1] F ≥KKKG (3.5) 式中 K—安全指數(shù)，一般是最開始的設計規(guī)定，如1.2—2.0 K—工件情況系數(shù)，由力的大小決定，通過計算運動，可以了解到K2， K— 位置，通過工件大小可以確定 G---手部的作用對象 本次設計的要求是： T響=0.05s 所以 a==0.9m/s2 K2=1+=1.09 由此 K3=0.5 K1=1.6 G=30kg 則由3.5式得 所以夾緊力為 查表可得齒輪齒條傳動的回轉(zhuǎn)型夾鉗手部驅(qū)動力計算公式為[1] 其中 b=120mm R=30mm 由此可得 F計算=2558N 而實際采用的驅(qū)動力要大于計算得出的數(shù)據(jù)。一般都要提到η，這里規(guī)定0.85～0.9。 即 η=0.85 實際的大小為3000N b---手到零件的長度 R---這個大圓的半徑 手指加緊工件時，此時便有彈力[5] F=λ (3.6) 式中 F彈簧由于彎曲的力 λ—手部對于零件的系數(shù) G-彈簧的切削模量 d—為了使手指松開的復位彈簧直徑 d=4mm； C—為彈簧的旋繞比 C= (3.7) Z彈簧所有的數(shù)目 由上可得 F=400N 求夾緊缸的工作壓力[5] P=P實際+P彈+P封 (3.8) 式中 P—夾緊活塞上的機械載荷； P實際—實現(xiàn)驅(qū)動力； P封—密封處的工作壓力，由摩擦力較工作阻力小 計算得 p =1.06 P實際+P彈=3572.12N 因為動力與其相等，所以由此可以確定液壓缸的直徑[5]： 由 F實際= 根據(jù)要求來算 D= =0.040mm (3.9)  3.2腕部設計 腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要注意以下幾點： ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 ② 轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。 ③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題 ④ 要適應工作環(huán)境的需要。 此外，通往手腕液壓缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便于手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。 3.2.1腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機械手采用了回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為±110°。 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋都用螺釘和銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊液壓缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也是指座固連成一體。當回轉(zhuǎn)液壓缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊液壓缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，便為手腕的回轉(zhuǎn)運動。 圖3.4 機械手的腕部結(jié)構(gòu) 3.2.2手腕驅(qū)動力矩的計算 驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩和由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所要的驅(qū)動力矩按下式計算[1]： (3.10) 式中 ——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 ——慣性力矩 ——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片） 對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 圖3.5 腕部回轉(zhuǎn)力矩計算圖 摩擦阻力矩[5] (3.11)式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.01～0.02，滑動軸承取f=0.1； N1 、N2 ——軸承支承反力 （N）； D1 、D2 ——軸承直徑（m） 由設計知 D1=0.035m D2=0.075m N1=800N N2=200N G1=294N e=0.020時 (3.12) 得 =2.15（N.m） 工件重心引起的偏置力矩[2] 式中 G1——工件重量（N） e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當工件重心與手腕回 轉(zhuǎn)中心線重合時，為零 當 e=0.020，G1=294N時 =5.88 （N·m） 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣 當知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時，可用下式計算[2] (3.13) 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） t——手腕啟動過程中所用時間（s），（假定啟動過程中近為加速運動）一般取 0.05～0.3s J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m） ——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （kg·m） 故 = 0.29（N·m） 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失的因素，一般將M取大一些，可取[2]： (3.14） 得 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩計算 回轉(zhuǎn)液壓缸要產(chǎn)生的驅(qū)動力矩須大于總的阻力矩。 下圖是機械手的手腕回轉(zhuǎn)液壓缸，定片1與缸體2固定連接，動片3與轉(zhuǎn)軸5 固定連接，當a、b口分別進出油時，動片帶動轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，達到手腕回轉(zhuǎn)目的。 1-定片 2-缸體 3-動片 4-密封圈 5-轉(zhuǎn)軸 圖3.6回轉(zhuǎn)缸簡圖 (3.15) 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)時的總的阻力矩 p——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力 R——缸體內(nèi)孔半徑 r——輸出軸半徑 b——動片寬度 3.3臂部的結(jié)構(gòu) 概述 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，它的作用是支承手部和腕部，并且將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，所以一般機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂回轉(zhuǎn)和升降運動都是通過立柱進行實現(xiàn)。立柱進行橫向移動的時候，手臂也進行的向移動。手臂的多種運動一般由驅(qū)動機構(gòu)以及各種傳動機構(gòu)實現(xiàn)的，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，還要承受著手部、手腕、以及手臂自身的重量。手臂的工作范圍、結(jié)構(gòu)、靈活性還有它抓重的大小以及定位精度等都可以直接影響機械手工作性能，所以它必須根據(jù)機械手的抓取重量、自由度數(shù)、運動形式、運動速度和其定位精度的要求來進行設計手臂的結(jié)構(gòu)型式。而且設計時必須考慮到手臂受力情況、液壓缸及導向裝置的布置、內(nèi)部管路和手腕的連接形式等因素[8]。所以設計臂部的時候應當注意以下幾點要求： ① 剛度要大 為防止臂部在運動過程當中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度通常比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大很多。所以通常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ② 導向性要好 避免手臂直線運動的時候，沿手臂的運動軸線發(fā)生相對運動，或是設置導向裝置，設計方形、花鍵等形式的臂桿。 ③ 偏重力矩要小 偏重力矩指的是說臂部的重量對它支承回轉(zhuǎn)軸所能夠產(chǎn)生的靜力矩。一般為能夠提高運動速度，都要盡可能的減少臂部運動部分的重量，以此來減少偏重力矩和整個手臂對于回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 ④ 運動平穩(wěn)、定位精度高 由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起定位前的沖擊也會越來越大，運動就會不平穩(wěn)，定位精度也不夠高。應盡量減少臂部的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊，同時要采取相應的緩沖措施[10]。 3.3.1手臂直線運動機構(gòu) 機械手手臂的伸縮、升降都是屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復直線運動的機構(gòu)形式較多，常用的都有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)、絲桿螺母機構(gòu)以及活塞缸和連桿機構(gòu)。 3.3.2手臂伸縮運動 這里能夠?qū)崿F(xiàn)直線往復運動是采用液壓驅(qū)動的活塞液壓缸。由于活塞液壓缸的體積小、重量輕。由圖所知為雙導向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕都是通過連接板安裝在升降液壓缸的上端，當雙作用液壓缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）都在作往復直線運動。導向桿3在導向套4內(nèi)移動，為了防止手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊液壓缸用的輸油管道）。因為手臂的伸縮液壓缸安裝在兩導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，因此受力簡單，傳動平穩(wěn)，結(jié)構(gòu)緊湊。可以用在抓重大、行程較長的場合[9]。 3.3.3 導向裝置 液壓驅(qū)動機械手手臂在進行伸縮（或升降）運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生一定的相對轉(zhuǎn)動，用來保證手指正確方向，而且使活塞桿可以不受較大彎曲力矩作用，以此來增加手臂的剛性，在設計手臂結(jié)構(gòu)時，應采用合適的導向裝置。它一般要由手臂安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)以及其抓取重量多種因素來確定，并且在結(jié)構(gòu)設計和布局上也要減少運動部件的重量以及減少手臂對回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動慣量。目前采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿和其他導向裝置，本此設計的機械手采用雙導向桿。 雙導向桿配置是在手臂伸縮液壓缸兩側(cè)，可以兼做手部和手腕油路的管道。對于一些伸縮行程很大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可以在導向桿尾部增設輔助支承架，也就是提高導向桿剛性[11]。 如圖所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分彎曲變形，可以在導向桿尾部增設輔助支承架，可以提高導向桿的剛性。如下圖所示，在導向桿的尾端用支承架將兩個導向桿連接起來，支承架兩側(cè)安裝兩個滾動軸承，當導向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動的時候時，支承架上的滾動軸承就在支承板的支承面上滾動。 1-導向桿 2-滾動軸承 3-支撐板 4-支撐架 圖3.7 雙導向桿手臂結(jié)構(gòu) 3.3.4手臂的升降運動 如圖3-8所示為手臂的升降運動機構(gòu)。當升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠4做上下運動，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動套筒3做升降運動。其導向作用靠立柱的平鍵9實現(xiàn)。圖中6為位置檢測裝置。 1—升降臺 2—缸體 3—套筒 4—活塞桿 5—活塞 6—固定立柱 7—齒條 8—平鍵 圖3.8 手臂升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖 3.3.5手臂回轉(zhuǎn)運動 為了實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，通常有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。本此設計的機械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，如圖所示，回轉(zhuǎn)運動是有齒條活塞桿8驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動，并且通過缸體上的平鍵9帶動外套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。 3.3.6手臂的設計計算 為了進行液壓機械手的設計計算，可以進行伸縮液壓缸、升降液壓缸、回轉(zhuǎn)液壓缸的設計計算，解決臂部運動驅(qū)動力計算問題，結(jié)合上面有關臂部和機身的結(jié)構(gòu)設計，最終確定出臂部和機身的結(jié)構(gòu)。計算出臂部運動驅(qū)動力（包括力矩）時，必須把臂部所受的全部負荷考慮進去。機械手工作的時候，臂部所承受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。 手臂水平伸縮缸的設計計算 作水平伸縮在線運動液壓缸的驅(qū)動力為 手臂在做水平伸縮運動的時候，必須要克服摩擦阻力，包括了液壓缸與活塞之間的摩擦阻力和導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，而且要克服啟動過程中的慣性力及加油背壓等方面阻力[13]。 其理論驅(qū)動力可按下式計算[1]： (3.16) 估計參與手臂伸縮運動部件總重量,且重心位置距導向套前端面的距離為200mm。 的計算： 由于導向桿對稱分布，導向桿受力均衡，則可以一個導向桿計算。 圖3.9 導向桿 (3.17) 又 則 (3.18) 其中 L——重心距導向套前端距離,184.5mm a ——導向套長度，300mm μ ——當量摩擦系數(shù)，取μ=0.15 的計算： 當液壓缸的工作壓力小于 ，活塞桿直徑為液壓缸直徑的一半，則活塞和活塞桿都采用O型密封圈，此時液壓缸的密封阻力為[7]： (3.19) 計算： 一般背壓阻力較小，取0.05 的計算[2]： (3.20) 式中 Δv——由靜止加速到常速的變化量 Δt——起動過程時間，一般取0.01～0.5s，取Δt=0.02s 則 (3.21) 得 =305.5N 實際驅(qū)動力 式中 k——安全系數(shù)，k=2； η——傳力機構(gòu)機械效率，η=0.8. 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 圖3.10 液壓缸 液壓缸內(nèi)徑的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖，當進入無桿腔[1] (3.22) 當油進入有桿腔[1] (3.23) 液壓缸的有效面積[1]： 因此[2] ，取D=63mm 式中 F——驅(qū)動力 ——液壓缸的工作壓力 d——活塞桿直徑 D——液壓缸內(nèi)徑 η——液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取0.95 液壓缸臂厚計算 此缸工作壓力為，屬低壓，則缸筒臂厚采用薄壁計算公式[5] 式中 ——液壓缸內(nèi)工作壓力 d——強度系數(shù)，無縫鋼管ф=1 C——計入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標準臂厚值 D——液壓缸內(nèi)徑 聯(lián)接螺釘強度計算 螺釘數(shù)目Z=4，工作載荷： (3.24) 預緊力 則 查手冊取螺紋直徑，p=0.75,材料為35號鋼的內(nèi)六角螺釘。 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 手臂在作垂直運動時，除了要克服摩擦阻力和慣性力之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅(qū)動力可按下式計算[1]： (3.25) 其中 ——各支承處的摩擦力（N），，f=0.16； ——同上， ——同上， —— G——臂部運動部件及工件的總重量（N），490N； ±——上升時為正，下降時為負。 則 (3.26) 得出 F=727N 結(jié)構(gòu)尺寸的確定 缸內(nèi)徑計算[2]： ，取D=160mm 根據(jù)強度要求，計算活塞桿直徑d[2]: ， 結(jié)構(gòu)上，活塞桿內(nèi)部裝有花鍵及花鍵套，能實現(xiàn)導向作用，同時可使活塞桿在升降運動中傳動平穩(wěn)，且獲得較大剛度。 臂厚同伸縮缸一樣，取 聯(lián)接螺釘強度計算： 取螺釘數(shù)目Z=4，工作載荷[1] 則 查手冊取，螺距P=0.75 材料為35號鋼的內(nèi)六角螺釘。 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應當根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。若軸承處的摩擦力忽略不計，則，在設計計算時，為了簡化計算可以不計?？芍苯佑嬋牖剞D(zhuǎn)缸效率中[5]， 則 ，η取0.9 (3.27) 式中 ——角速度變化量（rad/s） ——啟動過程時間，0.05～0.5s,取 ——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量。經(jīng)分析知， 當手臂完全伸出時，此時達到最大值，估算此時回轉(zhuǎn)零件的重 心到轉(zhuǎn)軸線的距離為ρ=150mm,則 回轉(zhuǎn)缸參數(shù)的計算[5] (3.28） 式中 D——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 d——轉(zhuǎn)軸直徑 p——回轉(zhuǎn)缸工作壓力 b——動片寬度 為減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度（即液壓缸寬度）時，可選用[5] ,這里取，且D=2d 對于活塞、導向套筒和液壓缸等的轉(zhuǎn)動慣量都應當做詳細計算，由于這些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對總的計算結(jié)果影響也很大，對于小零件則可以作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動慣量，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量也可忽略不計。 第4章 液壓系統(tǒng)的設計 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)，按照動力源一般分為液壓、氣壓和電動三大類。有時也可以是這三種基本類型組成復合式的驅(qū)動系統(tǒng)。 4.1各種驅(qū)動系統(tǒng)特點 （1)液壓驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術是一種比較成熟的技術，它具有動力大、力慣量比大、快速響應高、能夠?qū)崿F(xiàn)直接驅(qū)動等一些特點，適用在承載能力大、慣量大和防爆環(huán)境中作業(yè)的機械手。 （2)氣動驅(qū)動系統(tǒng) 擁有速度快、維修方便、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、價格低等一系列特點，適用于中、小負載的系統(tǒng)，但是一般難于實現(xiàn)伺服控制，所以一般都用于程序控制的機械手。 （3)電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣量、大轉(zhuǎn)矩的交、直流伺服電機以及配套的伺服驅(qū)動器(交流變頻器、直流脈沖調(diào)制器)中廣泛使用，這類驅(qū)動系統(tǒng)在機械手中被大量選用。 4.2機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 一般在設計機械手時，選擇一類驅(qū)動系統(tǒng)，都是根據(jù)機械手的用途、作業(yè)的要求、機械手的性能規(guī)范、維護的復雜程度、運行的功耗、控制功能、性價比和現(xiàn)有條件等綜合因素來考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎上，綜合各因素，論證其合理性、經(jīng)濟性、可行性及可靠性后進行最終選擇。 一般情況下機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇按如下原則: (1) 物料搬運用有限點位控制的程序控制機械手，重負載的可選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負載的可以選用電動驅(qū)動系統(tǒng)，輕負載的可選用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。 （2)用于點焊和弧焊及噴漆作業(yè)的機械手，要求具有任意點位和軌跡控制的功能，則可以采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)，采用液壓或電動伺服驅(qū)動系統(tǒng)才能滿足要求，根據(jù)設計要求，本次設計中選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)[8]。 4.3機械手液壓系統(tǒng)原理介紹 圖4.1 機械手液壓系統(tǒng)圖 電磁鐵的動作順序表 4.4液壓系統(tǒng)簡單計算 雙作用單桿活塞液壓缸 圖4.2 雙作用單桿活塞液壓缸計算簡圖 ①流量、驅(qū)動力的計算 當壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度V1運動時所需輸入液壓缸的流量Q1為[3] Q1 = DV1 (4.1) 對于手臂伸縮液壓缸：Q1=0.98cm/s， 對于手指夾緊液壓缸：Q1=1.02 cm/s ,對于手臂升降液壓缸：Q1=0.83 cm/s 液壓缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上合成液壓力P1即液壓缸的驅(qū)動力為[3]： P1 = Dp1 (4.2) 對于手臂伸縮液壓缸：p1=196N， 對于手指夾緊液壓缸：p1=126N ，對于手臂升降液壓缸：p1=320N 當壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運動時所需輸入液壓缸的流量Q2為[3]： Q2 = （D-d）V2 (4.3) 對于手臂伸縮液壓缸：Q1=0.87cm/s， 對于手指夾緊液壓缸：Q1=0.96 cm/s ,對于手臂升降液壓缸：Q1=0.72 cm/s 液壓缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即液壓缸的驅(qū)動力[3]： P2 = （D-d）p1 (4.4) 對于手臂伸縮液壓缸：p1=172N， 對于手指夾緊液壓缸：p1=108N ，對于手臂升降液壓缸：p1=305N ② 計算作用在活塞上的總機械載荷 機械手手臂移動時，作用在機械手活塞上的總機械載荷P為[3] P = P工 + P導 + P封 + P慣 + P回 其中 P工 為工作阻力 P導 導向裝置處的摩擦阻力 P封 密封裝置處的摩擦阻力 P慣 慣性阻力 P回 背壓阻力 P = 83+125+66+80+208=562(N) ㈠液壓缸內(nèi)徑的計算 液壓缸工作時，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所受的總機械載荷平衡，即 P = P1（無桿腔） = P2 （有桿腔） 液壓缸（即活塞）的直徑可由下式計算[3] D = = 1.13 厘米 （無桿腔） (4.5) 對于手臂伸縮液壓缸：D=50mm， 對于手指夾緊液壓缸：D=30mm ，對于手臂升降液壓缸：D=80mm ，對于立柱橫移液壓缸：D = 40mm[3] D = 厘米 （有桿腔） (4.6) （二）液壓缸壁厚的計算： 依據(jù)材料力學薄壁筒公式，液壓缸的壁厚可用下式計算[9]：