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1、摘要機械手與機械人是二十世紀五十年代以后,伴隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用,而迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。它綜合應(yīng)用了機械、電子、自動控制等先進技術(shù)以及物理，生物等學科的基礎(chǔ)知識實現(xiàn)機械化與自動化的有機結(jié)合。它不僅在工業(yè)生產(chǎn)上，而且對宇宙開發(fā)，海洋開發(fā)，軍事工程和生物醫(yī)學等方面都起著推動的作用，因而日益受到世界許多國家政府，學術(shù)團隊和科學技術(shù)人員的重視，毫無疑問，這門技術(shù)將具有廣闊的發(fā)展前景。在生產(chǎn)現(xiàn)代化領(lǐng)域里，材料的搬運，機床的上下料，整機的裝配等是個薄弱環(huán)節(jié)。在機械工業(yè)部門，這些工序的費用占全部加工費用三分之二以上，而且絕大多數(shù)的事故發(fā)生在這些工序，自動上下料裝置和工業(yè)機械手就是為

2、實現(xiàn)這些工序的自動化而采用的。通用機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用只有二十來年的歷史，這種裝置在國外得到相當重視，到七十年代，其品種和數(shù)量都有很大的發(fā)展，并且研制了具有各種感覺器官的機器人。關(guān)鍵詞：機械手 液壓缸PLC自由度 控制閥目 次摘要21 緒論12 設(shè)計參數(shù)72.1設(shè)計題目7球坐標式四自由度機械手設(shè)計72.2 初始參數(shù)與設(shè)計要求73設(shè)計方案的擬定83.1初步分析83.2 執(zhí)行機構(gòu)8手部8腕部8臂部及機身93.3 驅(qū)動機構(gòu)93.4控制機構(gòu)104 機械手手部的設(shè)計計算104.1設(shè)計計算104.2機械手手抓夾持精度的分析計算135 腕部的設(shè)計計算145.1 腕部設(shè)計的基本要求145.2 腕部的結(jié)構(gòu)以

3、及選擇15典型的腕部結(jié)構(gòu)155.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇155.3腕部的設(shè)計計算155.3.1 腕部設(shè)計考慮的參數(shù)155.3.2 腕部的驅(qū)動力矩計算156腕部與臂部連接處的回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計計算176.1驅(qū)動力矩的計算18慣性力矩的計算18摩擦阻力矩的計算18偏重力矩的計算186.2回轉(zhuǎn)液壓缸的確定187 臂部的設(shè)計計算197.1 臂部設(shè)計的基本要求197.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇20典型的臂部運動結(jié)構(gòu)20手臂運動機構(gòu)的選擇217.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算21手臂摩擦力的分析與計算21手臂慣性力的計算23密封裝置的摩擦阻力237.4 確定液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)23確定液壓缸的結(jié)

4、構(gòu)尺寸237.5液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?68臂部俯仰缸的設(shè)計計算278.1驅(qū)動力矩的計算298.2俯仰擺動油缸驅(qū)動力的計算298.3俯仰擺動油缸的設(shè)計計算308.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?09 機身的設(shè)計計算329.1 機身的整體設(shè)計329.2 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算339.2.1 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算339.3回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定3410機械手液壓系統(tǒng)工作原理3410.1 能量轉(zhuǎn)化簡圖3410.2 液壓系統(tǒng)的組成3510.3 液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點3510.4 油缸泄漏問題與密封裝置3610.4.1 活塞式油缸的泄漏與密封3610.4.2 回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封3610.5 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定3

5、710.5.1 各液壓缸的換向回路3710.5.2 調(diào)速方案3710.5.3 減速緩沖回路3810.5.4 系統(tǒng)安全可靠性3810.5.5 機械手的動作分析3811機械手的PLC控制系統(tǒng)設(shè)計4011.1 用于控制機械手的PLC簡介4111.1.1 PLC簡介4111.1.2 機械手PLC的選用4111.2工業(yè)用機械手的動作順序的PLC編程4212 設(shè)計感想4613 參考文獻481 緒論(1)機械手的概述工業(yè)機械手（以下簡稱機械手）是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，作為多學科融合的邊沿學科，它是當今高技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。所謂工業(yè)機械手就是

6、一種能按給定的程序或要求自動完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)的機械裝置，它能部分地代替人的手工勞動。較高級型式的機械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。由于機械手科學的發(fā)展十分迅速，世界上對機械手還沒有一個明晰，統(tǒng)一的定義。國際標準化組織（ISO）對機械手做了如下定義：機械手是一種可以反復(fù)編程和多功能的用來搬運材料、零件、工具的操作機或是為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變和可編程的動作的專門系統(tǒng)（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised forthe transports of masteries,

7、 parts, tools or specialized Systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out varied tasks）。隨著我國工業(yè)機械手技術(shù)的不斷發(fā)展，很多專家也建議建立自己的機械手定義，我國國家標準GB/T12643-90 也將工業(yè)機械手定義為“一種能自動定位控制，可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機。它能搬運材料、零件或操持工具，用于完成各種任務(wù)作業(yè)”。(2)機械手的組成工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成，各部關(guān)系如圖1所示：圖0-1工業(yè)機械手組成框圖機

8、械手大致可分為手部、傳送機構(gòu)、驅(qū)動部分、控制部分以及其它部分。手部（或稱抓取機構(gòu)）包括手指、傳力機構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用；傳送機構(gòu)（或稱臂部）包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用；驅(qū)動部分它是驅(qū)動前兩部分的動力，因此也稱動力源，常用的有液壓、氣壓、電力和機械式驅(qū)動四種形式；控制部分它是機械手動作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動作的順序(程序)、位置和時間(甚至速度與加速度)等；其它部分 如機體、行走機構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。(3)機械手的分類機械手從使用范圍、運動坐標形式、驅(qū)動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為：按機械手的使用范圍分類：專用機械手 一般只有固定的程序，而無

9、單獨的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機械手”、“曲拐自動車床機械手”、“油泵凸輪軸自動線機械手”等等。這種機械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。通用機械手（也稱工業(yè)機器人） 指具有可變程序和單獨驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機器，而且能自動生成傳送物件或操作某些工具的機械裝置。通用機械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。這種機械手由于手指可更換(或可調(diào)節(jié))，程序可變，故適用于中、小批生產(chǎn)。但因其

10、運動較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，技術(shù)條件要求較高，故制造成本一般也較高。按機械手臂部的運動坐標型式分類：直角坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X 方向的移動)、左右移動(定為沿Y方向的移動)和上下升降(定為沿Z方向的移動)；圓柱坐標式機械手 手臂可以沿直角坐標軸的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動)，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動；球坐標式機械手 臂部可以沿直角坐標軸X方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動)、上下擺動(定為繞Y軸擺動)和左右轉(zhuǎn)動(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動)；多關(guān)節(jié)式機械手 這種機械手的臂部可

11、分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對大臂可繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動。(4)按機械手的驅(qū)動方式分類：液壓驅(qū)動機械手以壓力油進行驅(qū)動；氣壓驅(qū)動機械手以壓縮空氣進行驅(qū)動；電力驅(qū)動機械手直接用電動機進行驅(qū)動；機械驅(qū)動機械手是將主機的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機構(gòu)等傳給機械手的一種驅(qū)動方式。按機械手的臂力大小分類：微型機械手臂力小于1kg；小型機械手臂力為110kg；中型機械手臂力為1030kg；大型機械手臂力大于30kg。(5)機械手發(fā)展概況機械手是在自動化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。

12、近年來，隨著電子技術(shù)，特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與自動化的有機結(jié)合。機械手是一種模仿人手部的動作，按照預(yù)先設(shè)定的程序、軌跡和其他要求，實現(xiàn)抓取、搬運工件和操縱工具的自動化裝置。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量臂人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛的得到應(yīng)用。(6)機械手的組成機械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復(fù)雜，但基本的組成形式是相同的。一般機械手由執(zhí)行機構(gòu)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)

13、和輔助裝置組成。機械手的執(zhí)行機構(gòu)，由手、手腕、手臂、支座組成。手是抓取機構(gòu)，用來夾緊或是松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指和手臂的元件，可以進行上下、左右和回轉(zhuǎn)動作。簡單的機械手可以沒有手腕，而只有手臂，手臂的動作和手腕相類似，只是動作范圍更大，可以前后伸縮，上下升降和左右擺動等。支柱用來支撐手臂，它是固定的，也可以根據(jù)需要做成移動的。執(zhí)行機構(gòu)的動作要有傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用的機械手傳動系統(tǒng)分機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式?？刂葡到y(tǒng)的主要作用是控制機械手按一定的程序、方向、位置、速度進行動作。簡單的機械手一般不設(shè)置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關(guān)、繼電

14、器、控制閥及電路便可實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機構(gòu)按要求進行動作。動作復(fù)雜的機械手則要采用可編程控制器、微型計算機進行控制。簡單的組成和分類以及適用范圍如下：工業(yè)機械手的組成：執(zhí)行系統(tǒng)的組成：手部、腕部、機身、行走機構(gòu)。驅(qū)動系統(tǒng)的組成：各種電氣、液壓元件?？刂葡到y(tǒng)的組成：位置檢測器、記憶存儲器。工業(yè)機械手的分類：液壓式：操作力大，動作平穩(wěn)，其缺點是泄油會影響系統(tǒng)的工作性能，油的粘度對溫度的變化敏感。氣動式：氣源方便，維護簡單，易于獲得高速度，其缺點是操作力有限，體積大?？諝鈮嚎s性大,速度控制困難,動作不平穩(wěn),控制有滯后現(xiàn)象。電動式：動力源方便，操作力度大。其缺點是需要設(shè)置減速機構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜

15、，或用特殊電機驅(qū)動。機械式：一般借助主機動力源，通過凸輪，連桿機構(gòu)來實現(xiàn)規(guī)定的動作，變換程序較困難，結(jié)構(gòu)龐大。工業(yè)機械手按適用范圍分：專業(yè)機械手：一般指附屬于某一設(shè)備的，動作程序固定的，沒有獨立的控制系統(tǒng)的搬運裝置。通用機械手：一般指動作程序可變的，具有獨立控制系統(tǒng)的自動化裝置。工業(yè)機械手按運動軌跡控制方式分：點位控制：機械手的運動軌跡是空間兩點間的聯(lián)線，只要求準確控制部件的移動起始位置或有限的設(shè)定點位置，不要求控制其運動軌跡。連續(xù)軌跡控制：機械手的運動軌跡是空間連續(xù)曲線，其設(shè)定點是無限的能在三維空間中作任意復(fù)雜的動作。(7)上下料機械手的使用必要性在現(xiàn)代的機械加工中，消耗于上下料的時間損失是

16、組成零件單件加工時間的一部分，它屬于輔助時間，我們知道要想提高生產(chǎn)率，減少生產(chǎn)中的輔助時間，將是非常重要的一個環(huán)節(jié)。而要想減少輔助時間必須實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，自動上下料機構(gòu)就是為實現(xiàn)生產(chǎn)中上下料工序而設(shè)計的一種專用機構(gòu)。自動上下料機構(gòu)中供散亂的中、小型工件毛坯，經(jīng)過定向機構(gòu)，實現(xiàn)定向排列，然后順序的由上下料機構(gòu)送到機床或工作地點去。這在自動化成批大量的生產(chǎn)中顯然是實用的，它不但可把操作人員從復(fù)雜而繁重的勞動中解脫出來，而且對保證安全生產(chǎn)也是一種行之有效的方法。工業(yè)機械手在二十世紀五十年代就已用于生產(chǎn)。它是在自動上下料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機械裝置。開始主要用來實現(xiàn)自動上下料和搬運工件，完成單機自動

17、化和生產(chǎn)線自動化。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴大，現(xiàn)已用來操持工具和完成一定的作業(yè)。實踐證明：使用自動上下料的機械手可以代替人手的繁重勞動，減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率，還具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量臂人手大等特點。因此，自動上下料機械手已得到越來越廣泛的得到應(yīng)用。(8)機械手在生產(chǎn)中的作用機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為廣泛，可以歸納為以下一些方面。旋轉(zhuǎn)休零件（軸類、盤類、環(huán)類）自動線，一般都采用機械手在機床之間傳送工件。加工箱體類零件的組合機床自動線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機械手的。在實現(xiàn)單機自動化方面：各類半自動車床，有自動夾進刀、切削

18、、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料；裝上機械手，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)，一人看管多臺機。注塑機有加料、合成、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動裝卸工件，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。沖床有自動上下料沖壓循環(huán)，裝上機械手上下料，可實現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動化。鑄、鍛、焊、熱處理熱加工方面：對環(huán)境的適應(yīng)性強，能代替人從事危險、有害的操作，在長時間工作對人體有害的場所，機械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境時行合理設(shè)計，扶把適當?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。為了謀求操作安全和徹底防止公害，在工作事故多的工程，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、

19、噴漆以及有有強烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，推廣工業(yè)機械手工機器人。機械手能持久、耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾個小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機械手只要注意維護、檢修，即能用途長時間的單調(diào)重復(fù)勞動。由于機械手的動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可避免人為的操作錯誤。機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性、靈活性好，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。這是因為機械手動作程序和運動位置（或軌跡）能夠十分靈活快速地予以改變，而其眾多的自由度，又提供了迅速改變作業(yè)內(nèi)容的可能，在中、小批量的自動化生產(chǎn)中，最能發(fā)揮其作用。采用機

20、械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。2 設(shè)計參數(shù)2.1設(shè)計題目球坐標式四自由度機械手設(shè)計2.2 初始參數(shù)與設(shè)計要求（1）抓重：100N（2）自由度：4個（3）臂部運動參數(shù)：表 2-1運動名稱符號行程范圍速度伸縮X350mm250mm/s回轉(zhuǎn)0 -21090 /s回轉(zhuǎn) 0 -4590 /s（4）腕部運動參數(shù)：表 2-2運動名稱符號行程范圍速度回轉(zhuǎn)0 -18090 /s（5）手指夾持范圍：棒料，直徑40-60mm，長度450-1200mm（6）定位方式：電位器（或接近開關(guān)等）設(shè)定，點位控制（7）驅(qū)動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）（8）定位精度：3mm（9）控制方式：PLC控制3設(shè)計方案的擬定3.1初

21、步分析該工業(yè)機械手的坐標形式是球坐標式，其臂部的運動由一個直線運動和兩個轉(zhuǎn)動組成，即沿X軸的伸縮，繞Y軸的俯仰和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種機械手臂部的俯仰運動能抓取到地面上的物件，為了使手部能夠適應(yīng)被抓取對象方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動，使其手部保持水平位置或其它狀態(tài)。這種形式的機械手具有動作靈活，占地面積小而工作范圍大等特點，它適用于沿伸縮方向向外作業(yè)的傳動形式。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，此外，臂部擺角的誤差通過手臂會引起手部中心處的誤差放大。3.2 執(zhí)行機構(gòu)手部手部是用來直接抓取或握緊（或吸附）工件的部件。由于被抓握工件的形狀、尺寸大小、輕重和材料的性能、表面狀況等不同，工業(yè)機械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，

22、大部分的手部結(jié)構(gòu)都是根據(jù)工件的要求而設(shè)計的。常用的手部結(jié)構(gòu)有夾鉗式、氣吸式、電磁式以及其他形式。夾鉗式手部設(shè)計的基本要求（1） 應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力（2） 手指應(yīng)應(yīng)具有一定的開閉范圍（3） 應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾緊精度（4） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高（5） 應(yīng)考慮通用性和特殊要求3.2.2腕部連接手部與臂部的部件，主要作用是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。要求0-180的回轉(zhuǎn)動作，因此選用具有單自由度的回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，但回轉(zhuǎn)角度較小，并且要求嚴格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。腕部設(shè)計的基本要求及其自

23、由度：a 力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕b 綜合考慮，合理布局c 必須考慮工作條件 對于高溫作業(yè)和在腐蝕性介質(zhì)中工作的機械手，其腕部在設(shè)計時應(yīng)充分考慮環(huán)境對腕部的不良影響3.2.3臂部及機身臂部是機械手的主要執(zhí)行部件。作用是支承腕部和手部（包括工件與工具）。并帶動他們作空間運動。臂部運動的目的是把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)則由腕部的自由度實現(xiàn)。因而機械手的臂部一般具有三個自由度才能滿足基本要求：即手部的伸縮 左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運動。機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降 回轉(zhuǎn)和俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因而其

24、設(shè)計與臂部的設(shè)計經(jīng)常一起考慮。機身可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。臂部設(shè)計的基本要求為：a 承載能力大，剛度好，自重輕 b 運動速度高，慣性小c 臂部運動應(yīng)靈活 d 位置精度要高除上面提到的要求外，還要保證機械手的通用性要好，能適應(yīng)在不同環(huán)境作業(yè)的要求：工藝性要好，便于安裝和加工;用于高溫環(huán)境作業(yè)的機械手，還要考慮隔熱和冷卻；用于粉塵大作業(yè)區(qū)的機械手，還要設(shè)置防塵裝置等。這方面的設(shè)計需要根據(jù)機械手工作環(huán)境條件進行具體的設(shè)計。綜上所述，本機械手的設(shè)計，臂部選用雙導向桿伸縮結(jié)構(gòu)。其特點為手臂的伸縮缸安裝在兩根導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，受力簡單，

25、傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。3.3 驅(qū)動機構(gòu)根據(jù)動力源不同大致可分為氣動、液壓、電動和機械傳動。根據(jù)課題特點。其中以液壓氣動用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。氣壓驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護

26、簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。電氣驅(qū)動采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可

27、靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。綜合考慮，本設(shè)計選用液壓驅(qū)動，其特點是速度快，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，傳遞力矩大，并且控制精度高3.4控制機構(gòu)PLC控制4 機械手手部的設(shè)計計算4.1設(shè)計計算（1）如下圖為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3的作用下銷軸2向上的拉力為P,并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1和P2，其力的方向垂直于滑槽的中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A與B。由Fx=0 得P1= P2Fy=0 得P1=Mo1（F）=0 得P1h=Nb因h= 所以P=式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（mm）；工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)

28、支點連線間的夾角。由分析可知，當驅(qū)動力一定時，角增大，則握力也隨之增加，但角過大會導致拉桿的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度，使之結(jié)構(gòu)增大，因此一般取=，這里取為350。此處設(shè)計的機械手是滑槽杠桿式的。夾緊力及驅(qū)動力的計算(1)由上知，驅(qū)動力 P=手指與工件的位置：手指垂直位置夾水平平位置放置的工件，那么握力,其中,f為摩擦系數(shù)，鋼對鋼f=0.1。工件的重力G=100N,解得握力N=84.18N.由計算可得，b=120mm,a=20mm,代入公式中解得 驅(qū)動力P=678N圖4-1 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 (2)實際驅(qū)動力：式中P計算出的驅(qū)動力手部的機械效率安全系數(shù)，一般取為(1.

29、22)工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似估算：，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度()該傳力機構(gòu)為杠桿式，故取，并取=1.5,假設(shè)被抓取工件的最大加速度a=g時，那么=2.所以N表4-1 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa作用在活塞上外力F（N）液壓缸工作壓力Mpa小于500050000以上 （3）確定液壓缸的直徑D由機械設(shè)計手冊 液壓傳動與控制可知 由于作用在活塞上的外力小于5000N,故選擇液壓缸壓力油工作壓力P=1MPa,根據(jù)機械設(shè)計手冊 液壓傳動與控制表23.6-33，選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm則活塞桿內(nèi)徑為: D=630.5=3

30、1.5mm，選取d=32mm4.2機械手手抓夾持精度的分析計算機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關(guān)，為使機械手能適用于多品種小批量 工件直徑在一定范圍內(nèi)變化的生產(chǎn)中，必須使用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以采用自動定心的手部結(jié)構(gòu)來減少機械手的調(diào)整工作，從而使加持誤差控制在較小范圍內(nèi)。該設(shè)計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。機械手的夾持范圍為40mm60mm一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長,取V型夾角圖4-3 手抓夾持誤差分析示意圖偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：計算 因，即和在雙曲線的對

31、稱點的同側(cè)，故其夾持誤差為： mm夾持誤差=1.5mm，因此本設(shè)計的夾持誤差3mm,滿足設(shè)計的要求。5 腕部的設(shè)計計算5.1 腕部設(shè)計的基本要求（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。腕部處于臂部的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）綜合考慮，合理布局。腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔連接和支撐作用，除了保證力和運動的要求，及具有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，如應(yīng)解決好腕部與臂部和手部的連接，碗部各個自由度的位置檢測，管線布置，以及潤滑、維修、調(diào)整等問題。（3）必須考慮工作條件。對于本設(shè)計，機械

32、手的工作條件是在正常工作場合中搬運加工的棒料，不會受到環(huán)境的影響，對機械手的腕部沒有太多不利因素。如果機械手處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，就應(yīng)在設(shè)計時充分考慮環(huán)境對機械手腕部的影響。5.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇典型的腕部結(jié)構(gòu)(1) 具有單自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它直接用回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運動，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。(2) 用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。它是來實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)和左右擺動。(4) 機-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu) 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機

33、構(gòu)的選擇 本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)，通過以上的分析，腕部的結(jié)構(gòu)采用具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)，驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動。因為本設(shè)計為球坐標式機械手，為了使手部能適應(yīng)被抓取對象方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動，使其手部保持水平或其他狀態(tài)。所以在腕部與臂部連接處安裝一個回轉(zhuǎn)液壓缸，使腕部具有上下擺動的功能。5.3腕部的設(shè)計計算 腕部設(shè)計考慮的參數(shù) 夾取工件重量10Kg，回轉(zhuǎn)。 腕部的驅(qū)動力矩計算（1）腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩力矩可按下式計算驅(qū)動腕部轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(Nm)慣性力矩(Nm)參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件 手部 腕部回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩(Nm)腕部轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的

34、摩擦阻力矩(Nm)腕部回轉(zhuǎn)缸的動片與定片 缸徑 端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Nm)棒料的計算采用最大值，夾取棒料直徑60mm，長度800mm，重量10Kg,因為腕部的伸縮缸為腕部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動缸的軸，故將其整體視為一圓柱體，直徑為180mm，其長為185mm，故估算其重為，另外，工件重為G2=100N。其總重為G=460N。等速轉(zhuǎn)動角速度。因為 =（+)=0.149=8.3958代入 =(0.0367+8.3958) =33所以 =0.1+0+33=38.22(2)回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計計算 單葉片回轉(zhuǎn)缸的壓力P與驅(qū)動力矩M的關(guān)系為 式中 R缸體內(nèi)壁半徑 r輸出軸半徑 b動片寬度 根據(jù)表5-1選擇液壓

35、缸內(nèi)徑R=64mm,輸出軸直徑d=32mm,動片寬度b=25mm. 那么回轉(zhuǎn)缸工作壓力為 選擇工作壓力為P=4Mpa. 表5-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250表5-2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 5063809010011012514015016018020020鋼P5060769510812113316814618019421924545鋼506076951081211331681461801942192456腕部與臂部連接處

36、的回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計計算在上節(jié)的計算中，可知腕部及手指和工件的重力分別為G1=360N,G2=100N.回轉(zhuǎn)油缸等效為高為150mm,直徑為105mm的圓柱體，其重力為臂部伸縮油缸等效為高為730mm,直徑為135mm的圓柱體，其重力為6.1驅(qū)動力矩的計算慣性力矩的計算若腕部啟動過程按等加速運動，腕部轉(zhuǎn)動時的角速度，啟動過程所用的時間為，則若腕部轉(zhuǎn)過的角速度為，啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度為，則式中參與腕部轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量()工件對腕部轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量()設(shè)置轉(zhuǎn)過的角度=，啟動時間=0.08s，那么角速度=1.963， 解得那么摩擦阻力矩的計算偏重力矩的計算=0解得6.2回轉(zhuǎn)液壓缸的確定

37、根據(jù)表選擇液壓缸內(nèi)徑，輸出軸直徑為，動片寬度為，那么回轉(zhuǎn)缸工作壓力為式中 R缸體內(nèi)壁半徑（m） r輸出軸半徑（m） b動片寬度（m）解得7 臂部的設(shè)計計算臂部是機械手的主要執(zhí)行。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該包括3個運動：。臂部運動的目的是把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)則由腕部的自由度實現(xiàn)。因而機械手的臂部一般具有三個自由度才能滿足基本要求:即手部的伸縮 回轉(zhuǎn)和俯仰運動。臂部的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)(油缸或氣缸)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況看，他在工作中既直接承受腕部 手部和工件的靜 動載荷，而且自身運動

38、又較多，因而它的結(jié)構(gòu) 工作范圍 靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。7.1 臂部設(shè)計的基本要求(1)臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。提高支撐剛度和合理選擇支撐間的距離。合理布置作用力的位置和方向。盡可能使結(jié)構(gòu)簡單化水平放置的手臂，應(yīng)該增加導向桿的剛度提高活塞和缸體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂伸縮時的剛度。(2)臂部要運動速度高，慣性小。 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設(shè)計在,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，在大部分行程上平均移動速度為回轉(zhuǎn)角速度在。平均回轉(zhuǎn)速度為在速度

39、和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣性沖擊的措施有： 減少臂部運動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料減少臂部運動件的輪廓尺寸減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機械手運動順序時，先縮回回轉(zhuǎn)(或先回轉(zhuǎn)后伸)，盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。(3)臂部動作應(yīng)靈活。為減少臂部運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式機械手，其傳動件、導向件和定位件布置應(yīng)合理，使臂部運動盡可能保持平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。(4)位

40、置精度要高。7.2 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇典型的臂部運動結(jié)構(gòu) 臂部的典型運動的形式有：直線運動，如臂部的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如臂部的左右擺動，上下擺動；復(fù)合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動，兩直線運動的組合，兩回轉(zhuǎn)運動的組合等。（1）臂部作直線運動的結(jié)構(gòu)雙導向桿手臂伸縮結(jié)構(gòu)雙層油缸空心活塞桿單桿導向結(jié)構(gòu)采用花鍵套導向的手臂升降結(jié)構(gòu)雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)（2）臂部作直線運動的結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的機身結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機身結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與

41、臂部一起升降，運動部件較大?；钊麠U和齒條齒輪結(jié)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)：齒條的往復(fù)運動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。（3）臂部做俯仰運動的結(jié)構(gòu) 俯仰運動大多采用擺動式直線缸驅(qū)動，而回轉(zhuǎn)運動大多采用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實現(xiàn)。手臂運動機構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本設(shè)計的伸縮運動選擇單花鍵軸導向的伸縮機構(gòu),俯仰運動選擇擺動式直線缸驅(qū)動，回轉(zhuǎn)運動選擇回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動。7.3 手臂直線運動的驅(qū)動力計算通常先進行粗略的估算，或類比同類型的結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，再進行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)數(shù)次，繪出最終的結(jié)構(gòu)。根據(jù)液壓缸運動時所克服的負載、摩

42、擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算為 式中 摩擦阻力（N）.臂部運動時，運動件表面間的摩擦力。密封裝置處的摩擦阻力（N）油缸回油腔低壓油造成的阻力，一般背壓阻力較小，可取臂部啟動或制動時活塞桿上受到的平均慣性力（N）手臂摩擦力的分析與計算計算如下：本機械手采用花鍵軸導向，在活塞桿與花鍵軸接觸處采用花鍵軸套，如圖中所示。 根據(jù)受力平衡，有得 得 (5.2)式中 參與運動的零部件的總重力（包含被抓去的工件）（N）； L臂部參與運動的零部件的總重心到導向支撐前端的距離（m）； a導向支撐的長度（m）;當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面形狀有關(guān)。對于圓柱面：

43、摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取鋼對鑄鐵：取計算：導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇青銅 ，L=540mm,花鍵軸套a=60mm將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算手臂慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動是V=,設(shè)置啟動時間 (5.3)解得密封裝置的摩擦阻力密封圈的形式有O型密封圈，Y型密封圈，V型密封圈。不同的密封圈，其摩擦阻力是不同的。在手臂設(shè)計中，采用O型密封，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力：7.4 確定液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=5591N，根據(jù)表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=2Mpa

44、,機械效率確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸液壓缸內(nèi)徑的計算，如下圖所示圖7-2 液壓缸受力示意當油進入無桿腔，當油進入有桿腔中， 液壓缸的有效面積：故有 （無桿腔） （有桿腔） 式中 P活塞的驅(qū)動力（N）油缸的工作壓力（Mpa） d活塞桿直徑（mm） D油缸內(nèi)徑（mm）機械效率，在工程機械中用耐用膠可取=0.96F=5591N，=，選擇機械效率將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：根據(jù)表5-1，選擇標準液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=100mm.（1）液壓缸外徑的設(shè)計根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在15mm，所以該液壓缸的外徑為130mm.（2）活塞桿的設(shè)計計算按強度條件決定活塞桿直徑按直桿拉 壓強度計算：即 (mm)式中 P活塞

45、桿所受的總載荷（N）,即活塞的驅(qū)動力活塞桿材料的許用應(yīng)力(Mpa):,其中為活塞桿的抗拉強度， n為安全系數(shù)，一般?。惶间撊‖F(xiàn)取 計算解得由于采用花鍵軸在活塞桿內(nèi)部進行導向，會使活塞桿的結(jié)構(gòu)變大，因此根據(jù)實際情況并參照表4-4，選擇活塞桿直徑d=70mm 表7-1 活塞桿直徑系列（GB/T2348-93）（mm） 1012 14 1618 20 22 25 28 32 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100110125140160180活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算：因為活塞

46、桿不滿足的條件，所以不必對活塞桿進行校核。 表7-2 螺釘距離t1與工作壓力p 1 的關(guān)系工作壓力p 1 螺釘距離t1 工作壓力p 1 螺釘距離t1 0.51.5 150 2.55 100 1.52.5 120 510 807.5液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎愀鶕?jù)表4.3所示，因為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為2Mpa,所以螺釘間距t小于120mm,每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預(yù)緊力之和式中工作載荷（N）， P缸蓋所受的合成液壓力，即驅(qū)動力（N） Z螺釘數(shù)目，螺釘中心所在圓的直徑（mm）工作壓力(Mpa)剩余預(yù)緊力，螺釘所在圓的直徑，根據(jù)表選擇那么螺釘數(shù)目 取為工作載荷 剩余預(yù)緊力 螺釘材料選擇45

47、#，則n為安全系數(shù)，,現(xiàn)取為2螺釘?shù)膹姸葪l件為螺釘?shù)闹睆接嬎爿d荷，許用抗拉強度，螺釘材料的屈服點（Mpa）表7-3 常用螺釘材料的屈服強度鋼 號 10 Q215 Q235 35 45 40Cr(Mpa) 205 215 235 313 352 784螺釘螺紋內(nèi)徑（mm）,d 為螺釘公稱直徑，S為螺距。解得螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm的圓柱頭螺釘，螺距S=1.5 mm,螺釘螺紋內(nèi)徑為螺釘?shù)膹姸葹闈M足強度條件。8臂部俯仰缸的設(shè)計計算 驅(qū)動臂部俯仰的驅(qū)動力矩，應(yīng)克服臂部等部件在啟動時的重量對回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩和臂部在啟動時所產(chǎn)生的慣性力矩以及各回轉(zhuǎn)副處摩擦力矩，即圖8-1 臂部俯仰缸設(shè)計示意圖一

48、般手臂座與立柱連接軸在O處裝有滾動軸承，其摩擦力矩較小，在鉸鏈處配合直徑較小，相對轉(zhuǎn)角亦小，故，則式中 手臂等部件重力對回轉(zhuǎn)軸線的偏重力矩(N),臂部上仰時為正，下仰時為負，計算時主要考慮上仰的驅(qū)動力矩手臂做俯仰運動，在啟動時的慣性力矩(Nm),工件對臂部回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量()臂部俯仰對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量()臂部俯仰過程的角速度()臂部俯仰運動啟動過程所需的時間(s),一般取8.1驅(qū)動力矩的計算慣性力矩的計算設(shè)置啟動角度為，啟動時間=0.1s,那么角速度 那么的計算由前面的分析可知驅(qū)動力矩的計算8.2俯仰擺動油缸驅(qū)動力的計算如圖所示，當臂部與水平位置成時，則鉸接活塞桿的驅(qū)動力(即俯仰擺動油缸的

49、驅(qū)動力)P的作用線與鉛垂線的夾角是在范圍內(nèi)變化，而作用在活塞上的驅(qū)動力通過連桿機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩與臂部俯仰角有關(guān)。（1） 當臂部處于上仰時， 解得 （2）當臂部處于下仰時， 解得 選擇其中最大值作為俯仰擺動缸設(shè)計的驅(qū)動力。俯仰擺動油缸計算出驅(qū)動力后即可按照直線伸縮油缸的設(shè)計計算。8.3俯仰擺動油缸的設(shè)計計算 根據(jù)表選擇最大工作壓力（1） 活塞桿的設(shè)計計算 取 根據(jù)表選擇活塞桿直徑那么油缸內(nèi)徑圓整后取油缸內(nèi)徑（2） 活塞桿的校核 因為活塞桿不滿足的條件，所以不必對活塞桿進行校核。8.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎愀鶕?jù)表4.3所示，因為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為3Mpa,所以螺釘間距t小于120mm,每個螺釘在危險

50、剖面上承受的拉力為工作載荷和剩余預(yù)緊力之和式中工作載荷（N）， P缸蓋所受的合成液壓力，即驅(qū)動力（N） Z螺釘數(shù)目，螺釘中心所在圓的直徑（mm）工作壓力(Mpa)剩余預(yù)緊力，螺釘所在圓的直徑，根據(jù)表選擇那么螺釘數(shù)目 取為工作載荷 剩余預(yù)緊力 螺釘材料選擇45#，則n為安全系數(shù)，,現(xiàn)取為2螺釘?shù)膹姸葪l件為螺釘?shù)闹睆接嬎爿d荷，許用抗拉強度，螺釘材料的屈服點（Mpa）螺釘螺紋內(nèi)徑（mm）,d 為螺釘公稱直徑，S為螺距。解得螺釘?shù)闹睆竭x擇d=10mm的圓柱頭螺釘。螺紋內(nèi)徑螺釘強度的校核滿足要求。9 機身的設(shè)計計算機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降或俯仰運動，這些運動的驅(qū)動裝置或傳

51、動件都安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因而，其設(shè)計與臂部的設(shè)計經(jīng)常一起考慮。機身可以是固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。9.1 機身的整體設(shè)計按照設(shè)計要求，機械手要實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)設(shè)計在機身處。經(jīng)過綜合考慮，臂部的回轉(zhuǎn)運動選用回轉(zhuǎn)缸置于機身上的結(jié)構(gòu)。如下圖所示，臂部的回轉(zhuǎn)通過安裝在機身上回轉(zhuǎn)油缸來實現(xiàn)，因為臂部的回轉(zhuǎn)角度為，所以要將動片和靜片的夾角設(shè)計為，由于臂部的重力過大會影響回轉(zhuǎn)缸的工作，所以采用圓錐滾子軸承，圓錐滾子軸承即能承受徑向力，也可以承受軸向力，通過圖中可知，由回轉(zhuǎn)軸傳遞的重力分配到圓錐滾子軸承上。同時在回轉(zhuǎn)軸上安裝了

52、另一個圓錐滾子軸承，這個軸承的采用是為了阻止回轉(zhuǎn)軸向上的運動。考慮到安裝的問題，動片與回轉(zhuǎn)軸的連接采用鍵連接，便于安裝。圖9-1臂部回轉(zhuǎn)液壓缸示意圖9.2 機身回轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計計算 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算驅(qū)動臂部回轉(zhuǎn)的力矩應(yīng)該與臂部運動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 (6.1)（1）慣性力矩的計算 (6.2)式中 回轉(zhuǎn)缸動片角速度變化量（），在起動過程中=；t起動過程的時間(s);臂部回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）?；剞D(zhuǎn)部件（包括手部 工件 腕部 臂部）質(zhì)量為145Kg.設(shè)置起動角度=210，則起動角速度=3.66，起動時間設(shè)計為0.3s。（2）密封處的摩擦阻力

53、矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。經(jīng)過以上的計算=10769.3回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定設(shè)計回轉(zhuǎn)缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為2Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設(shè)d=50mm,則回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)徑通過下列計算： （mm）計算得D=98.36mm,既設(shè)計液壓缸的內(nèi)徑為100mm,根據(jù)表4.2選擇液壓缸的基本外徑尺寸135mm.10機械手液壓系統(tǒng)工作原理10.1 能量轉(zhuǎn)化簡圖機械手的液壓傳動力是以有壓力油作為傳遞動力的工作介質(zhì)，電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置導進入油缸，推動

54、活塞桿運動，從而手臂作伸縮，升降運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。其液壓傳動能或概括如下：圖6-1 能量轉(zhuǎn)化簡圖10.2 液壓系統(tǒng)的組成液壓傳動系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成：油泵、液壓機、控制調(diào)節(jié)裝置、（如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等）輔助裝置。10.3 液壓傳動系統(tǒng)機械手的特點液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點，由于液壓技術(shù)是一個比較成熟的技術(shù)，它具有動力大（或力矩）慣性比大，快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點，適用于承載能力大、慣性大以及在防爆環(huán)境中工作的機械手。機械手采用液壓傳動比采用氣壓傳動有如下優(yōu)點：(1) 能得到較大的輸出力和力矩；(2) 液壓傳動滯后現(xiàn)象下，反應(yīng)較靈活

55、，傳動平穩(wěn)；(3) 輸出力和運動速度控制較容易；(4) 可達到較高的定位精度。但液壓傳動也有如下缺點：(1) 系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能；(2) 油液的粘度對溫度的變化很敏感，當溫度升高時，油的粘度即顯著降低，油液粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。10.4 油缸泄漏問題與密封裝置機械手由于油缸泄漏嚴重，壓力不能提高，工作性能不穩(wěn)定，以致影響機械手的正常使用。因此，為了保證機械手液壓系統(tǒng)的工作性能，在各油缸的相對運動表面和固定連接斷面的進行密封。以防止壓力油從高壓油腔泄漏到低壓油或泄漏到缸體處面。目前，機械手液壓系統(tǒng)使用的密封件大多采用耐油橡膠制成的各種形式密封圈，

56、作為動密封和靜密封，以保證兩結(jié)合面的密封性。密封圈在配合面間的密封作用，主要是借安裝時的預(yù)壓和工作時由于油液壓力的作用，使密封圈變形并壓緊密封表面達到目的。10.4.1 活塞式油缸的泄漏與密封對于實現(xiàn)往復(fù)運動的活塞油缸來說，其泄漏主要是活塞與缸臂處的內(nèi)泄漏及往復(fù)活塞桿與缸蓋處的處泄漏。引起泄漏的原因是加工精度和滑動面光潔度不高，以及控制裝置不良所致。對于活塞油缸的靜密封，主要采用O型密封圈，它既可以用外徑或內(nèi)徑密封，也可以用端面密封。O型密封圈裝在溝槽中，因受油壓作用而變形，并張緊溝槽和間隙，從而起到密封的作用，因此它的密封性能隨壓力的增加而提高。但是，當壓力過高或溝槽尺寸選擇不當時，密封圈很

57、容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。為克服這個缺點，當油缸油液的壓力大于100/2時，要在O型密封圈側(cè)面放置擋圈，在壓力低于100/2時，一般不加擋圈。在手臂伸縮油缸和手臂俯仰油缸中都用了Y型密封圈，Y型密封圈在工作時壓力油液把Y型密封圈的唇邊緊緊壓在相對運動的兩配合面上，并隨著油液壓力的增高而提高密封性能，并能補償磨損的影響，所以裝配時唇邊要對壓力油腔。在一般情況下，Y型密封圈可直接裝入溝槽內(nèi)即可引起密封作用，但在壓力變動較大，滑動速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈。10.4.2 回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封手臂回轉(zhuǎn)油缸中，由于動片與缸體，動片與輸出軸，動片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的

58、泄露，使油液的壓力降低，減少了輸出扭矩，達不到設(shè)計要求，影響機械手的正常運行。為減少泄漏，除嚴格控制相對運動表面的配合間隙外，主要的是采用密封裝置進行密封。經(jīng)反復(fù)考慮，選擇矩形橡膠密封圈組成回轉(zhuǎn)油缸的密封結(jié)構(gòu)，其中擋圈的作用是防止高壓油液將橡膠密封圈擠入配合間隙，以保證密封性并延長密封圈的使用壽命。10.5 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定10.5.1 各液壓缸的換向回路為便于機械手的自動化控制，如采用可編程器或微機進行控制，從工況圖中可知系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經(jīng)濟效益。液壓機械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂俯仰和手臂旋轉(zhuǎn)等機構(gòu)采用并聯(lián)供油

59、，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥需要采用中位“O”型換向閥。10.5.2 調(diào)速方案整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設(shè)計要求的。盡管有的液壓缸是單一工作，但也需要進行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸運行的平穩(wěn)性。各缸可選擇進油路或回油路節(jié)流調(diào)速，因為系統(tǒng)為中低系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調(diào)速。機械手的手臂伸縮和手臂俯仰或升降缸采用兩個單向節(jié)流閥來實現(xiàn)。若只用一節(jié)流速調(diào)速時，則進行油達到最大允許調(diào)速來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。當無桿腔進油時，其速度就少于最大允許速度，但仍然符合設(shè)計需要。在一般情況下，機械手的各個部位是分別動作，手腕回轉(zhuǎn)和手臂回轉(zhuǎn)缸（或升降）所需的流量較為接近，手腕回轉(zhuǎn)缸和手臂回轉(zhuǎn)缸及夾緊缸所需流量較為接近，且它們兩組缸所需的流量相