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1、洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 圓柱坐標式三自由度機械手 摘 要 機器人不僅是一種自動化的機器。機器人是一種可重新編程的、多功能的、機械手,為實現(xiàn)各種任務(wù)設(shè)計成通過可改變的程序動作來移動材料、零部件、工具或是其他專用裝置。 本設(shè)計設(shè)計的是一種圓柱坐標式機械手,該裝置具有三個獨立運動(兩個直線運動、一個旋轉(zhuǎn)運動)，也就是所說的三個自由度。該機構(gòu)中立柱可相對于機座旋轉(zhuǎn)180度，回轉(zhuǎn)速度15r/min，可水平伸縮距離400，移動速度約0.2/s，機械手可上下垂直運動，其垂直升降量1000，移動速度約0.15/s，機械手最大夾持重量10，所夾持工件為圓柱形，直徑范圍：Ф30—Ф12

2、0。 本設(shè)計的旋轉(zhuǎn)運動采用擺動液壓馬達（旋轉(zhuǎn)液壓缸）驅(qū)動，水平伸縮運動采用液壓缸驅(qū)動，垂直升降運動仍采用液壓缸驅(qū)動。 關(guān)鍵詞：三自由度，圓柱坐標式，工業(yè)機器人，機械手 CYLINDRICAL COORDINATE ROBOT OF THREE DEGREES OF FREEDOM ABSTRACT A robot is not simply another automated machine. A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator desi

3、gned to move material, parts, tool, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of task. This design is a cylindrical coordinate manipulator, the device has three separate campaigns (two straight-line movement, a rotating Movement), that is to say tha

4、t the device has three degrees of freedom. The bodies of the column can be compared to frame 180-degree rotation, with the rotation speed 15 r / min. The manipulator may be stretching from the level of 400mm, with the moving speed about 0.2 m/ s. From the top to the bottom, the manipulator can do ve

5、rtical movement and its vertical take-off and landing is 1000mm, with the moving speed about 0.15 m/ s. The largest weight that the device grip can lead to 10kg.The workpiece with the diameter from 30mm to 120mm that the device can grip is cylindrical. According to the issue demands ,besides, caref

6、ul thinking and ask the teacher, the rotating movements of the design opts rotating hydraulic motor (rotating cylinder) , the level of stretching movements are driven by hydraulic cylinders, vertical take-off and landing movements are still driven by hydraulic cylinders. KEY WORDS：Three degrees

7、 of freedom, Cylindrical，Industrial robot, Manipulator 7 目　錄 前 言 1 第1章 概述 2 1.1 工業(yè)機械手的概述 2 1.1.1 機械手的組成 2 1.1.2 機械手的運動與分類 3 1.1.3 機械手的主要參數(shù) 4 1.1.4 機械手的結(jié)構(gòu) 5 1.2 工業(yè)機械手的發(fā)展 5 1.3 工業(yè)機械手在我國的發(fā)展與應(yīng)用 6 第2章 總體設(shè)計方案 8 2.1 總體設(shè)計的思路 8 2.1.1 思路 8 2.2 總體方案的確定 8 2.2.1 方案 8 第3章 機械

8、手相關(guān)的設(shè)計與計算 9 3.1 手指的相關(guān)設(shè)計與計算 9 3.1.1 手指夾緊力的計算 9 3.1.2 手部液壓缸的選取 11 3.1.3 水平伸縮缸尺寸計算 13 3.1.4 垂直升降液壓缸主要參數(shù)的確定 14 3.2 升降手臂的設(shè)計 16 3.3 立柱與托盤的設(shè)計 17 3.4 液壓馬達的設(shè)計與計算 19 3.5 液壓泵、電機的選擇 21 3.6 機械手的控制 22 第4章 相關(guān)的校核 23 4.1 手爪扇形齒輪與齒條強度校核 23 結(jié) 論 24 謝 辭 25 參考文獻 26 前 言 機器人技術(shù)的發(fā)展，可以說是科學(xué)

9、技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，同時，也是為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中,需求能夠解放人的一種工具。那么這種工具就是代替人們?nèi)ツ軌驈氖聫?fù)雜和繁重的體力勞動，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。另一方面，人們有各種各樣的好的想法，它也歸功于電子技術(shù)，計算機技術(shù)以及制造技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)

10、生了提供了強大的技術(shù)保證。 畢業(yè)設(shè)計是對大學(xué)所學(xué)的知識的總結(jié)和運用。它是基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識的統(tǒng)一，是理論和實踐相結(jié)合，這加深了我們對所學(xué)知識的理解和靈活運用。通過查閱大量的資料，學(xué)到了很多在課堂上學(xué)不到的知識和掌握了一部分新的理念，為我們走向工作崗位奠定了一定的知識基礎(chǔ)。同時，也是檢驗我們掌握所學(xué)知識的深度和力度 第1章 概述 1.1 工業(yè)機械手的概述 工業(yè)機器手的用途十分廣泛，它對于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，提高勞動效率，減輕工人的勞動強度，保證工人的安全都具有重要的意義，尤其對于那些有毒、高危、多粉塵、油漆、深水作業(yè)的工作環(huán)境和有放射等惡劣環(huán)境條件下的作業(yè)，使用工

11、業(yè)機械手和機器人更具有顯著的優(yōu)越性，在FMS中要實現(xiàn)物流系統(tǒng)的正常運用，以實現(xiàn)坯料進入車間到加工成成品零件的全過程，使各個環(huán)節(jié)都能進行自動連接 ，以及機床刀具的自動調(diào)換，機械手都將起的重要的作用。隨著機械工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機械手的應(yīng)用范圍會越來越廣。 1.1.1 機械手的組成 工業(yè)機械手是一種模仿人手動作，并按設(shè)定的程序、軌跡、和要求代替人手抓取、搬運工件或操持工具或進行操作的自動化裝置。在 工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的工業(yè)機械手簡稱為“機械手”。 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成，各部分之間的相互關(guān)系如1-1所示。 工件 執(zhí)

12、行機構(gòu) 驅(qū)動系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 位置檢測裝置 圖1-1機構(gòu)相互關(guān)系圖 1、執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。 (1) 手部（或稱抓取機構(gòu)）是與物體接觸的部件，主要是抓取和放置物件的作用。 (2) 手腕 是連接手部和手臂的部件，可以調(diào)整和改變工件方位。 (3) 手臂 是支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。 (4) 立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。手臂的回轉(zhuǎn)運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯(lián)系。 (5) 機座 是機械手的基礎(chǔ)部分。執(zhí)行機構(gòu)的各個部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，起支承

13、和連接的作用。 有時為了完成遠距離的操作和擴大使用范圍，可以增設(shè)滾輪行走機構(gòu)2、驅(qū)動系統(tǒng) 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的動力裝置，常用的有液壓、氣壓、電力和機械式驅(qū)動四種形式。 3、控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機械手動作的指揮系統(tǒng)，用來控制動作的順序（程序）、位置和時間、速度和加速度等。 4、位置檢測裝置 位置檢測裝置控制執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，可隨時將執(zhí)行機構(gòu)的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整，使執(zhí)行機構(gòu)以一定的精度達到設(shè)定位置。 1.1.2 機械手的運動與分類 1、機械手的運動 機械手以及及其手部所夾持的工件（或工具）在空間的位置

14、，有臂部、腕部等部件以及整機的各自獨立運動的合成來確定。機械手的每一個動作，必須要配有一個原動件，當(dāng)各個原動件按一定的規(guī)律運動時，機械手各運動部件隨之作確定的運動，從而使機械手具有運動和位置的確定性。 2、機械手的分類 機械手按不同的標準可有不同的分類方法，如按用途可分為用機械手和專用機械手；按驅(qū)動方式可分為液壓驅(qū)動機械手、氣動驅(qū)動機械手、電力驅(qū)動機械手和機械驅(qū)動機械手；按控制方式可分為點位控制機械手和連續(xù)軌跡控制機械手兩種。在實際應(yīng)用中，大多按運動坐標形式將機械手分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關(guān)節(jié)坐標式四種。 此設(shè)計選用的是圓柱坐標。 1.1.3 機械手的主要參數(shù) 機

15、械手的主要參數(shù)是說明機械手的規(guī)格和具體指標，一般包括以下幾項： 1、抓取重量 抓取重量（又稱臂力）是機械手所能抓取或搬運物件的最大重量，它對其他參數(shù)如行程范圍、運動速度、坐標形式和緩沖裝置的設(shè)計均有影響，是機械手最基本的參數(shù)。 2、運動速度 運動速度反應(yīng)了機械手的生產(chǎn)水平，影響機械手的運動周期和工作效率，很多機械手由于速度低而限制了它的使用范圍。影響機械手動作快慢的兩個主要運動是手臂伸縮和回轉(zhuǎn)運動。速度大小與機械手的驅(qū)動方式、定位方式、抓取重量和行程距離有關(guān)系。 3、行程范圍 機械手的手臂運動行程對使用性能有較大的影響。一般來說，通用機械手的手臂回轉(zhuǎn)應(yīng)盡量可能大些，回轉(zhuǎn)行程范圍應(yīng)大

16、于180，使機械手具有一定的通用性；手臂伸縮行程及工作半徑要適宜，太大會增加手臂伸縮量，相應(yīng)的偏重力矩和轉(zhuǎn)動慣量也增加，且剛性降低，對于定位精度也難以保證。 4、定位精度 定位精度是衡量機械手工作質(zhì)量的又一指標，是機械手是運動部件從某一起始位置運動到預(yù)期的另一位置時所達到的實際位置的準確程度。定位精度的高低取決于位置控制方式以及機械手運動部件本身的精度和剛度，并和抓取重量、運動速度等因素也有密切關(guān)系。定位精度包括位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度兩種，一般所說的定位精度是指重復(fù)定位精度。 1.1.4 機械手的結(jié)構(gòu) 機械手的機械結(jié)構(gòu)（運動）本體是機械手的基礎(chǔ)部分，各運動部件的結(jié)構(gòu)形式取決于它的

17、使用場合和各種不同的作業(yè)要求。機械手的結(jié)構(gòu)類型特征，用它的結(jié)構(gòu)坐標形式有和自由度表示；機械手的空間活動范圍用它的工作空間來表示。 1、機械手的運動自由度 所謂機械手的運動自由度是指確定一個機械手的執(zhí)行系統(tǒng)需要的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，它表示機械手動作靈活程度的參數(shù)。機械手執(zhí)行系統(tǒng)的手部、手腕、手臂和機座等的獨立運動所合成的運動狀態(tài)（方位），決定了手部所夾持的工件或工具在空間的位置和姿態(tài)。機械手的自由度越多，其動作的靈活性和通用性就越好，但是其結(jié)構(gòu)和控制就越復(fù)雜。在決定機械手的自由度時，不計入手部的抓取動作，因為這個動作并不改變工件或工具的位置與姿態(tài)。 2、手的工作空間與坐標 所謂工作空間，

18、是指機械手正常運作時，手腕參考點或者機械接口坐標系原點能在空間活動的最大范圍，是機械手的主要技術(shù)參數(shù)之一。機械手工作空間與其具有的自由度數(shù)目以及所選用的運動關(guān)節(jié)的類型及配置有關(guān)。每個運動關(guān)節(jié)所形成的變化量，如直線移動的距離、回轉(zhuǎn)角度的大小，都將影響工作空間的大小。機械手的坐標系按右手定則決定。 1.2 工業(yè)機械手的發(fā)展 機器人(機械手)的歷史并不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學(xué)攻讀伺服理論，這是一種研究運動機構(gòu)如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機器

19、的運動。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手臂按程序進行工作，可以根據(jù)不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機器人，認為汽車工業(yè)最適于用機器人干活，因為是用重型機器進行工作，生產(chǎn)過程較為固定。 1959 年，英格伯格和德沃爾聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。 它成為世界上第一臺真正的實用工業(yè)機器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機器人制造工廠。第一批工業(yè)機器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬能自動”。 他們因此被稱為機器人之父。 1962 年美國機械與鑄造公司也制造出工業(yè)機器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“

20、萬能搬動”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機器人。 近百年來發(fā)展起來的機器人，大致經(jīng)歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機器人， 第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人，它的未來發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人對話。第一代機器人屬于示教再現(xiàn)型 , 第二代則具備了感覺能力 , 第三代機器人是智能機器人 , 它不僅具有感覺能力 , 而且還具有獨立判斷和行動的能力。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機器人是第一代機器人，屬于示教再現(xiàn)型，即人手把著機械手，把應(yīng)當(dāng)完成的任務(wù)做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機器人的機械手臂運動，一步步完

21、成它應(yīng)當(dāng)完成的各個動作 。 1.3 工業(yè)機械手在我國的發(fā)展與應(yīng)用 隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展，機器人技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人類社會的各個領(lǐng)域。在制造業(yè)中誕生的工業(yè)機器人是繼動力機、計算機之后而出現(xiàn)的全面延伸人的體力和智力的新一代生產(chǎn)工具。機器人的應(yīng)用是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。 縱觀目前經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀，我國機器人市場增長異常迅猛；從銷售量上更是充分說明了這個不爭的事實。在中國市場上占有35％市場份額的ABB公司2004年在中國賣出了600臺機器人。而該公司在過去9年中一共才在中國大陸市場銷售了2000臺機器人。專家預(yù)測，中國機器人2005年擁有量將增至7600臺，到2010年擁

22、有量將達到17300臺，到2015年，市場容量將達十幾萬臺(套)。據(jù)悉，汽車制造、工程機械及電機、電子等行業(yè)的企業(yè)是中國今后對機器人需求最大的部門，其中所需機器人的品種以點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運、沖壓等為主。 近年來我國的機器人自動化技術(shù)也取得了長足的發(fā)展，但是與世界發(fā)達國家相比，還有一定的差距，如可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距。我國目前從事機器人研發(fā)和應(yīng)用工程的單位相對較少，工業(yè)機器人的擁有量遠遠不能滿足需求量，長期大量依靠從國外引進。 在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人，約占全球已安裝臺數(shù)的0.4%。產(chǎn)生以上差距，有關(guān)專家

23、認為主要是我國沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本較多，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。 2004年中國國際機器人展覽會于11月1-4日舉行，會后分析報告數(shù)據(jù)表明，與會的專業(yè)觀眾只占43%，非專業(yè)觀眾占57%；而90.3%的專業(yè)觀眾為了了解、收集產(chǎn)品信息，其余的大多沒有填寫具體參觀目的；專業(yè)觀眾中只有21%的工業(yè)制造業(yè)人員，其余主要以科研單位為主，國內(nèi)參展單位展出的多是面向教育應(yīng)用和處于實驗開發(fā)中的機器人，且產(chǎn)品略顯不成熟。這充分表明我國機器人產(chǎn)業(yè)還停留在純技術(shù)層面，離市場化還有很長一段距

24、離。 我國機器人產(chǎn)業(yè)要快速發(fā)展，就不能只靠幾個愛好者的激情和科研單位的單方努力，機器人就不能只作為展覽會上的表演者。研制單位必須和需求緊密結(jié)合，讓機器人走進工廠和家庭，實現(xiàn)真正的產(chǎn)業(yè)化。把發(fā)展中國機器人產(chǎn)業(yè)納入政府重要產(chǎn)業(yè)政策中，引導(dǎo)和扶持企業(yè)進行產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整，加速機器人產(chǎn)業(yè)化進程。 第2章 總體設(shè)計方案 2.1 總體設(shè)計的思路 2.1.1 思路 設(shè)計機器人大體上可分為兩個階段： 1、系統(tǒng)分析階段 (1)根據(jù)系統(tǒng)的目標，明確所采用機器人的目的和任務(wù)。 (2)分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。 (3)根據(jù)機器人的工作要求，確定機器人的基本功能

25、和方案。如機器人的自由度、所能抓取的重量。 2、技術(shù)設(shè)計階段 (1)確定驅(qū)動系統(tǒng)的類型； (2)選擇各部件的具體結(jié)構(gòu)，進行機器人總裝圖的設(shè)計； (3)繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。 2.2 總體方案的確定 2.2.1 方案 提到總體方案的確定，讓我們重復(fù)一下本課題的要求： 設(shè)計一種圓柱坐標式三自由度工業(yè)機械手，要求該裝置具有三個獨立的運動（兩個直線運動和一個旋轉(zhuǎn)運動）。該機構(gòu)中立柱可相對于機座旋轉(zhuǎn)180度，回轉(zhuǎn)速度15r/min，可水平伸縮距離400，移動速度約0.2/s，機械手可上下垂直運動，其垂直升降量1000，移動速度約0.15/s，機械手最大夾持重量1

26、0，所夾持工件為圓柱形，直徑范圍：Ф30—Ф120。 根據(jù)課題要求經(jīng)過認真思考和請教指導(dǎo)老師，本設(shè)計的旋轉(zhuǎn)運動采用擺動液壓馬達（旋轉(zhuǎn)液壓缸）驅(qū)動，水平伸縮運動采用液壓缸驅(qū)動，垂直升降運動仍采用液壓缸驅(qū)動。 8 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第3章 機械手相關(guān)的設(shè)計與計算 3.1 手指的相關(guān)設(shè)計與計算 3.1.1 手指夾緊力的計算 手部是機械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務(wù)的部件，因此手部的結(jié)構(gòu)和尺寸應(yīng)依據(jù)作業(yè)任務(wù)要求來設(shè)計，從而形成了多種的結(jié)構(gòu)型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動作。 設(shè)計手部時除了要滿足抓取要求外，還應(yīng)滿足以

27、下幾點要求： （1）手指握力的大小要適宜 確定手指的握力（即夾緊力）時，應(yīng)考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落，但握力太大又會造成浪費并可能損壞工件。 （2）應(yīng)保證工件能順利地進入或脫開手指 開合式手指應(yīng)具有足夠大的張開角度來適應(yīng)較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開工件。移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。 （3）應(yīng)具有足夠的強度和剛度，并且自身重量輕 因受到被夾工件的反作用力和運動過程中的慣性力、振動等的影響，要求機械手具有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結(jié)構(gòu)要簡單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，使

28、手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小。 （4）動作迅速、靈活、準確，通用機械手還要求更換手部方便 根據(jù)用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。 經(jīng)過分析和比較此設(shè)計采用夾持式手部。 1、夾持式手部 夾持式手部對抓取工件的形狀具有較大的適應(yīng)性，故應(yīng)用較廣。它的動作與鋼絲鉗或虎鉗相似。 2、結(jié)構(gòu) 夾持式手部是有驅(qū)動裝置、傳動機構(gòu)和手指（或手爪）等組成。驅(qū)動裝置多半用活塞缸。傳動機構(gòu)常用連桿機構(gòu)、滑槽機構(gòu)、齒輪齒條機構(gòu)等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位，它的結(jié)構(gòu)形狀取決于工件的形狀。手部結(jié)構(gòu)按模仿人手手指的動作，可分為回轉(zhuǎn)型、移

29、動型等形式。經(jīng)分析和比較此設(shè)計選擇移動式的齒輪齒條手部。 根據(jù)所夾取的零件半徑（30120的圓柱形棒料）經(jīng)分析取扇型齒輪的齒頂圓半徑R=47，模數(shù)m=4，=23。齒條齒數(shù)取=23。 手指夾緊力的計算公式： (3-1) 為抓取的工件重量最大為10Kg ，為安全系數(shù)取1.22,暫取5，為工作情況系數(shù)，可按=1.12.5此取=2，為方位系數(shù)，即為當(dāng)爪子處在不同位置夾取工件不同放置位置是的系數(shù)，根據(jù)查取的公式： =0.5tan，粗略計算約等于0.91.1此處取1。 根據(jù)公式（3-1）計算得: 1.521109.8N =294N 因為此設(shè)計采用移動型齒

30、輪齒條手部結(jié)構(gòu)，查資料知其夾緊力為驅(qū)動力的一半，即: =0.5 (3-2) 所以， =588N，此處考慮其他因素取600N。 3、手腕 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變手部的方位。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運動或再增加一個上下擺動即可滿足要求，若有特殊要求可增加手腕左右擺動或橫向移動。機械手的手腕結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜。因此設(shè)計時要注意下面幾個問題： （1）可以有手臂完成的動作，盡量不設(shè)置手腕。 （2）手腕結(jié)構(gòu)盡可能簡單化，對不需要三維自由度的手腕，可采用兩 個或一個回轉(zhuǎn)運動。 此設(shè)計可以不要手腕，動

31、作可以由手臂完成。 圖 3-1機械手手部簡圖 3.1.2 手部液壓缸的選取 （1）、初算活塞桿直徑 經(jīng)分析液壓缸的最大工作力為 F = 1451N 由于手爪是靠推力夾緊的，所以驅(qū)動液壓缸的活塞桿選用材料HT-15 則得δ= 650 ， 由 [δ] =/ (3-3) 取 = 3 得： [δ] = 216.7N 又 [δ]= N/A (3-4) 得： = 2.792 （2）、壓

32、桿穩(wěn)定性校核 歐拉公式 = π2EI/ () 2 （3-5） 由于此活塞桿是一端固定，一端鉸接，所以 μ = 0.7 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求取 L = 200 則得 HT-15的彈性模量 E = 115160Gpa 取 E = 115Gpa 又 F=π2EI/()2[] (3-6) 為了更安全，取

33、 [] = 6 得 Imax = () 2 []F/π2E 而 I = πd2d2/64 (3-7) 得 = {64()2[]F/（π2Eπ）} = 0.0341 根據(jù)GB/T-2348-1993圓整得： d = 35 （3）、液壓缸參數(shù)確定 由 d = (0.61) D 得缸體內(nèi)徑 D = 35/0.6 = 58.33 根據(jù)GB/T-2348-1993[11]圓整得 D = 65 則選用T5160-1型夾緊油缸 液壓缸行程： S =（282-16

34、2） =120 根據(jù)表 GB/T-2348-1993 圓整得 S = 125 （4）、選擇調(diào)速閥 查《機械設(shè)計手冊》選擇YF型溢流閥，技術(shù)規(guī)格為 通徑mm 額定流量L/min 調(diào)速范圍Mpa 螺紋聯(lián)結(jié) 重量kg 10 2 0.57 YF-L10B 2.4 表3-1溢流閥技術(shù)規(guī)格 3.1.3 水平伸縮缸尺寸計算 1.選擇調(diào)速閥：選用ZFRM型調(diào)速閥，技術(shù)規(guī)格如下圖框所示 表3-2調(diào)速閥技術(shù)規(guī)格 通徑mm

35、 工作壓力Mpa 調(diào)速范圍 重量 16 0.5-31 0-160 11.3 2.液壓缸內(nèi)壁直徑計算 D= (3-8) =0.1301 即D=130.1 取D=130 3.考慮伸縮缸與夾緊缸配合，取活塞直徑d=70。 4.活塞行程查表得 S=500 5.缸頭厚度計算 h= (3-9

36、) （1）、選擇材料 TQ-400 =400 =250 （2）、F= （q值取其屈服極限） (3-10) = =31689+675885N =707574N （3）、 (3-11) =0.000899 =0.899 （4）、缸頭法蘭按T5016-1型夾緊缸缸頭2倍尺寸制造。 3.1.4 垂直升降液壓缸主要參數(shù)的確定 1、查表文獻[11]得液壓缸活塞桿外徑尺寸系列表37.7-2 取活塞桿直徑為25。 工程液壓缸的技術(shù)規(guī)格，液壓缸缸徑φAL為4

37、0，速度比φ=1.33，推力為20.11kN，拉力15.08kN。 2、液壓缸缸蓋及密封 根據(jù)參考資料[11]表19-13和GB3452.1-92 O型圈用（內(nèi)徑）=28.7，公差0.30，為密封截面直徑，=5.300.13 氈圈密封（內(nèi)徑）=36 D（外徑）=40 3、缸底厚度計算 根據(jù)參考資料[16]公式37.3-29 (3-12) 已知=0.04 =16 =0.01（缸底油孔直徑） =100 0.0110 取h=10 4、缸底油孔直徑的計算 根據(jù)參考資料[16]式37.9-1 管子油口內(nèi)

38、徑d d1130 (3-13) Q為液體流量，V為流速 對于壓油管V3—6/s，這里V取5/s 由 (3-14) 為液壓缸輸出速度，AL活塞直徑得： (3-15) 已知： =0.15 /s, =0.00075 12.87 由文獻[1]得: 公稱直徑 故d取10 采用卡套式直通管接頭 鋼管

39、外徑為22，管接頭連接螺紋M221.5 采用推薦管路通過流量為1000 GB3755.1-83 公稱壓力P=16 圖3-2升降液壓缸簡圖 3.2 升降手臂的設(shè)計 手臂是機械手執(zhí)行機構(gòu)中的重要部件，它的作用是把物料運送到工作范圍內(nèi)的給定位置上。手臂一般能夠完成伸縮運動、左右回轉(zhuǎn)、升降或上下擺動（即俯仰）運動，其運動形式有直線運動、回轉(zhuǎn)運動以及二者的復(fù)合運動。 手臂是支持手部和手腕的部件，它需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小、定位精度等對機械手性能影響很大，因此在 設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式時，除了應(yīng)考慮上述因素外，還

40、應(yīng)注意以下幾點： 1、應(yīng)使手臂剛度大、重量輕，保證手臂準確工作并具有一定的定位精度。 2、應(yīng)使手臂運動速度快、慣性小、動作靈活。應(yīng)使手臂傳動準確、導(dǎo)向性好。 3、輸油（氣）管道的布置合理，不妨礙機械手的運動且使手臂外形整齊，結(jié)構(gòu)緊湊。 4、其他要求，如高溫作業(yè)，應(yīng)考慮熱輻射的影響;粉塵場合應(yīng)設(shè)有防塵裝置。 本設(shè)計的手臂是垂直直線運動。手臂的伸縮、升降及橫向（或縱向）移動均屬于直線運動。常用的實現(xiàn)手臂直線運動的機構(gòu)有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)以及活塞缸和連桿機構(gòu)等。下圖所示為采用齒輪齒條機構(gòu)的手臂結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)自動導(dǎo)向并使手臂移動的距離和速度有定值的增加?；钊麠U

41、左移時，與之相連的齒輪也左移，并使運動齒條一起移動。由于齒輪與固定齒條相嚙合，因而齒輪在移動的同時，又迫使其在固定齒條上滾動，并將此運動傳給運動齒條，從而使運動齒條又左移一距離。因手臂固結(jié)于運動齒條上，所以手臂的行程和速度均為活塞桿行程和速度的兩倍。因手臂的移動速度約為0.15/s,所以活塞桿的速度為0.075/s。 3.3 立柱與托盤的設(shè)計 立柱是支承水平液壓缸和機械手的部件，立柱設(shè)計的質(zhì)量直接關(guān)乎到機械手的工作。此設(shè)計的立柱經(jīng)過分析與計算，最后采用如下圖的立柱。立柱與托盤是一體的，用鑄造生產(chǎn)。托盤與液壓缸的連接用四個GB528-M24螺栓進行連接。立柱與底座的連接采用四個M2

42、4的螺釘進行連接。具體尺寸見下圖3-4。 圖3-4立柱與托盤簡圖 3.4 液壓馬達的設(shè)計與計算 1、計算轉(zhuǎn)動慣量 將立柱與托盤以上的部分等效成Ф40×2000的均勻直桿，估算出其總質(zhì)量為（包括工作時的夾持的工件） = 50 其轉(zhuǎn)動慣量為 = ml212 （3-16） = 50×2212 16.67 由于其形心距立柱有效距離為 d = 140 由平行軸定理得出橫梁相對立柱形心的轉(zhuǎn)動慣量 = +

43、 （3-17） = （16.67 + 50×0.142） = 17.65 將立柱與托盤視為Ф50×2000的均勻圓柱，估算其質(zhì)量 m = 30 則其轉(zhuǎn)動慣量為 = /2 （3-18） = 30×0.052 = 0.075 則底座托盤以上整體的轉(zhuǎn)動慣量為 總 = + （3-19）

44、 =（17.65 + 0.075） =17.725 2、起動轉(zhuǎn)矩計算 （1）立柱角速度計算 若要求立柱在0.1秒內(nèi)速度由0增大到15r/min，則 ω = π n/30 （3-20） = 15π/30 = 0.5π/s 角速度 ε=ω/t （3-21） = 0.5π/0.1 = 5π /s (2)、起動轉(zhuǎn)矩 = ×ε = 17.725×5

45、 ≈ 278.28 3、馬達外徑計算 此液壓馬達是用于驅(qū)動立柱往復(fù)回轉(zhuǎn)180°的機構(gòu)，采用擺動液壓馬達。 由公式 T = b (D2-d2) (P2-P1) /8 （3-22） 取馬達容積高 b = 50 軸徑 d = 35 工作壓力 = 3 背壓 = 1 馬達工作效率 = 0.9 則 D = 104.8 查表GB/T 2348-1993 取D = 125 4、葉片設(shè)計 葉片設(shè)計如下圖，帶鍵槽的通孔套在底座托盤軸徑為Ф100

46、的軸上，與之配合。葉片厚度為10。 5、緊固及連接方案 上下缸蓋與缸筒之間采用毛氈密封，并用8個M8的螺釘緊固；至于缸體與底座的連接，用4個M24的螺栓連接，為防止兩組螺栓孔削弱缸體上端蓋的強度，特將兩組螺栓孔錯開45° 3.5 液壓泵、電機的選擇 1、流量計算 (1)、手爪驅(qū)動缸流量計算 若要求手爪在0.1秒內(nèi)抓取并夾緊工件，則手爪運動速度 = /t （3-23） = 0.125/0.1/s = 1.25/s 則手爪驅(qū)動缸的流

47、量 = V1×A1×1000×60 = 1.25×0.022×1000×60π×/4 = 2.355 /min (2)、橫梁驅(qū)動缸的流量計算 = V2×A2×1000×60 = 0.2×0.0632×1000×60π×/4 = 37.4 /min (3)、立柱液壓缸的流量計算 = V3×A3×1000×60π×/4 = 0.15×0.022×1000×60π×/4 = 2.826 /min (4)、底盤液壓缸流量

48、計算 = b (D 2 -d 2) ω/8ηm = 0.5× (1 2-0.35 2) ×15/8×0.9 = 0.9141 /min 則總流量為 = Qv1 + Qv2 + Qv3 + Qv4 = 2.355 + 37.4 + 2.826 + 0.9141 = 43.4951/min 2、選擇液壓泵 為實現(xiàn)用一個液壓泵給這幾個液壓缸供油，需要選擇一個大流量的液壓泵，根據(jù)液壓泵產(chǎn)品列表選擇CB-32型液壓泵，其相關(guān)參數(shù)為 額定排量 32.1 ml/r

49、 額定轉(zhuǎn)速 1500 r/min 額定壓力 10 額定功率 9.8 質(zhì)量 6.4 算得其額定流量 =32.1×1500÷1000 = 48.15 /min 滿足此液壓系統(tǒng)流量要求。 3、選擇電機 根據(jù)液壓泵功率選擇合適的電機，查電機產(chǎn)品列表選擇Y160-4 型電機，其相關(guān)參數(shù)如下： 額定功率 11 滿載轉(zhuǎn)速 1460 r/min 額定電壓 380 V 機械效率 88% 3.6 機械手的控制 該機械

50、手采用單一液壓泵供油，為實現(xiàn)這一要求，油路采用液力順序閥、行程閥、溢流閥、單向閥等閥體控制。操作方便，只要兩個按鈕接通與斷開電源即可，工作時只要接通其電源，就會往復(fù)擺動運送工件，工作完畢斷開電源即可。 22 第4章 相關(guān)的校核 4.1 手爪扇形齒輪與齒條強度校核 齒輪齒條強度校核 1、材料：齒輪：40 滲碳淬火 硬度58—62 齒條：40 滲碳淬火 硬度 48—55 2、

51、因所受的力不大硬齒面扇形齒輪與齒條按接觸疲勞強度校核 可得 則 由文獻[16]得： 安全系數(shù) 由上面的公式知： 符合要求 23 結(jié) 論 本機械手主要用于實現(xiàn)機械加工過程中的工件搬運、上料、下料等的自動化。所設(shè)計的機械手只有水平運動、豎直運動和旋轉(zhuǎn)運動三個自由度，雖然整體運動比較簡單，位置精度還不夠高，但是整個設(shè)計過程中涉及和運用到了我大學(xué)三年所學(xué)的幾乎所有專業(yè)知識，同時我也查閱了大量的關(guān)于機械手方面的書籍，對課程設(shè)計有了比較深刻的認識。由于缺乏實踐經(jīng)驗，該設(shè)計還有許多不足之處，比如：執(zhí)行部件運行的精確度、控制

52、部分的程序等都需要進一步完善。設(shè)計過程中，我一直本著踏踏實實做人，認認真真做事的原則，才使得設(shè)計順利進行。我深信：只有腳踏實地才能在以后的工作和學(xué)習(xí)中取得成功。 26 謝 辭 本次畢業(yè)設(shè)計工作是在葛老師的全面指導(dǎo)下完成的，在課題選擇、方案制定、工作實施以及設(shè)計說明書的撰寫過程中，無處不滲透著葛老師的心血。葛老師嚴謹治學(xué)的工作態(tài)度，一絲不茍的工作作風(fēng)，對科學(xué)研究的忘我精神，對我的學(xué)習(xí)和生活都產(chǎn)生了深遠的影響，使我從中受益非淺。在整個設(shè)計過程中，正是由于葛老師嚴謹求實的工作態(tài)度和對學(xué)生無微不至的關(guān)懷，使我在大學(xué)里最后的一次設(shè)計中，也是最綜合的一次設(shè)計中得到了實踐性的鍛煉，為我以后步入工作

53、崗位打下了堅實的基礎(chǔ)。為此，學(xué)生對您表示衷心的感謝和深深的敬意！ 同時在設(shè)計的過程中，很多的同學(xué)和老師給予了我巨大的幫助和支持。在這難忘的兩個多月中，沒有他們的支持，我的設(shè)計不可能這樣順利的完成。在此，對這些同學(xué)和老師也表示衷心的感謝！ 在我查找資料的過程中，得到了學(xué)校圖書館有關(guān)人員的大力支持，給我們提供了必要的資料，使我的設(shè)計工作得到了順利進行，并最終按時完成了畢業(yè)設(shè)計任務(wù)。在此，也一并對他們的熱心幫助表示感謝！ 最后，學(xué)生向在百忙之中評閱本論文的各位老師表示衷心的感謝！

54、 楊曉希 2012年5月20日 參考文獻 [1] 朱根龍.簡明機械零件設(shè)計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社.1997：1—796 [2] 濮良貴，紀名剛.機械設(shè)計.北京：高等教育出版社.2001：1—415 [3] 王昆，何小柏.機械設(shè)計課程設(shè)計.北京：高等教育出版社.1995：1—210 [4] 朱冬梅，胥北瀾.畫法幾何及機械制圖.北京：高等教育出版社.　2000：1—388 [5] 劉鴻文.材料力學(xué). 北京：高等教育出版社.2003：12—200 [6] 廖念釗

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