抓重25Kg關(guān)節(jié)坐標(biāo)四自由度自動(dòng)上下料液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)含8張CAD圖,25,kg,關(guān)節(jié),坐標(biāo),自由度,自動(dòng),上下,液壓,機(jī)械手,設(shè)計(jì),cad 自動(dòng)上下料液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì) 前 言 工業(yè)機(jī)械手是近年來各領(lǐng)域高速發(fā)展的重要產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，研究設(shè)計(jì)機(jī)械手對(duì)于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證加工精度，降低生產(chǎn)成本有著深遠(yuǎn)的意義。研究設(shè)計(jì)機(jī)械手有助于提高機(jī)構(gòu)分析與綜合的能力，機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力，機(jī)電液一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力，同時(shí)也有助于掌握生產(chǎn)過程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法。 為了適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的飛速發(fā)展和日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)，較好的融入自動(dòng)化領(lǐng)域，我們不僅要學(xué)寬厚扎實(shí)的基礎(chǔ)知識(shí)，更要掌握廣博精深的專業(yè)知識(shí)，并且要在不斷地實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)的融會(huì)貫通，進(jìn)而達(dá)到理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐升華理論的良性循環(huán)效果。此次畢業(yè)設(shè)計(jì)就是綜合各學(xué)科后的一次實(shí)踐檢驗(yàn)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于畢業(yè)生而言是相當(dāng)重要的，它不僅是對(duì)我們大學(xué)所學(xué)知識(shí)的歸納與應(yīng)用，更是我們展望該領(lǐng)域、了解該領(lǐng)域，更好的融入工作崗位的重要一步，對(duì)我們的職業(yè)生涯有著舉足輕重的作用。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是綜合運(yùn)用我們各方面知識(shí)的關(guān)鍵一步，通過設(shè)計(jì)我們可以進(jìn)一步熟練相關(guān)軟件的操作，培養(yǎng)我們綜合分析問題的能力和快速獲取知識(shí)的能力等，為我們畢業(yè)后在工作崗位中游刃有余奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是XX老師耐心指導(dǎo)的結(jié)晶，在設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，趙老師給予了重要的指導(dǎo)，為整個(gè)設(shè)計(jì)撥正了“航向”。在設(shè)計(jì)中，我參閱了大量的手冊(cè)資料，拜讀了不少業(yè)內(nèi)人士的相關(guān)研究論文，可謂是一次空前的鍛煉自我，提升自我的過程，但是由于時(shí)間和個(gè)人能力經(jīng)驗(yàn)的欠缺，設(shè)計(jì)中難免會(huì)有不妥之處，懇請(qǐng)各位老師給予批評(píng)指正。 目 錄 前 言 i 摘 要 iv Abstract v 第一章 機(jī)械手概況及其發(fā)展前景展望 1 第一節(jié) 工業(yè)機(jī)械手的分類 2 一、按規(guī)格（所搬運(yùn)工件的重量）分類 2 二、按功能分類 2 三、按用途分類 2 第二節(jié) 工業(yè)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 3 第三節(jié) 液壓驅(qū)動(dòng)自動(dòng)上下料機(jī)械手的特點(diǎn) 3 第四節(jié) 機(jī)械手發(fā)展前景展望 4 第二章 自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 6 第一節(jié) 機(jī)械手的組成 6 第二節(jié) 機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 7 第三節(jié) 工作范圍的確定 9 第四節(jié) 確定運(yùn)動(dòng)速度 9 第五節(jié) 手臂的配置形式 10 第三章 機(jī)械手各部件的計(jì)算與分析 11 第一節(jié) 機(jī)械手手部的計(jì)算分析 11 一、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 11 二、滑槽杠桿式手部設(shè)計(jì)的基本要求 12 三、手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算與分析 12 第二節(jié) 腕部計(jì)算與分析 18 一、腕部設(shè)計(jì)的基本要求 18 二、腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 18 三、選鍵并校核強(qiáng)度 21 第三節(jié) 臂部計(jì)算與分析 22 一、臂部設(shè)計(jì)的基本要求 22 二、手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 24 三、油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 28 四、大臂回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì) 29 第四節(jié) 機(jī)身計(jì)算與分析 32 第四章 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 33 第一節(jié) 機(jī)械手液壓系統(tǒng)簡介 33 第二節(jié) 液壓系統(tǒng)的組成 33 第三節(jié) 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 33 一、壓力控制回路 34 二、速度控制回路 34 三、方向控制回路 35 第四節(jié) 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 35 第五節(jié) 液壓缸計(jì)算 36 一、活塞缸 36 二、擺動(dòng)缸 36 三、估算流量 37 第六節(jié) 計(jì)算和選擇液壓元件 37 一、計(jì)算和選定液壓泵及其驅(qū)動(dòng)電機(jī) 37 二、選擇液壓控制閥的原則 39 三、選擇液壓輔助元件的要求 40 四、具體選擇液壓元件 40 第五章 液壓缸的保養(yǎng)與維修 43 第一節(jié) 液壓元件的安裝 43 第二節(jié) 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護(hù) 43 第三節(jié) 一般技術(shù)安全事項(xiàng) 44 第六章 PLC控制回路的設(shè)計(jì) 45 第一節(jié) 可編程序控制器的選擇及工作過程 45 一、可編程序控制器的選擇 45 二、可編程序控制器的工作過程 45 第二節(jié) 可編程序控制器的使用步驟 46 第三節(jié) 機(jī)械手可編程序控制器控制方案 47 第四節(jié) 電磁鐵動(dòng)作順序 48 第五節(jié) PLC與現(xiàn)場(chǎng)器件的實(shí)際連接圖 49 第六節(jié) 梯形圖的繪制 49 第七節(jié) 指令程序 51 結(jié) 論 52 參考文獻(xiàn) 53 外文資料 54 中文翻譯 59 致 謝 62 摘 要 液壓機(jī)械手是一種具有抓取和轉(zhuǎn)移工件的自動(dòng)化設(shè)備，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。 本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，PLC系統(tǒng)控制來實(shí)現(xiàn)四個(gè)自由度。 在設(shè)計(jì)中，我運(yùn)用液壓、機(jī)械和電氣等方面的知識(shí)全面系統(tǒng)地完成了自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，主要包括機(jī)械系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)。機(jī)械部分的設(shè)計(jì)主要是在結(jié)構(gòu)分析后的機(jī)械力學(xué)計(jì)算，包括手部、臂部和機(jī)身，液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)和元件選型；控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括繪制梯形圖和電氣元件選型。 關(guān)鍵詞：液壓機(jī)械手；機(jī)械系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；PLC控制系統(tǒng) Abstract Hydraulic manipulator is a sort of automation device which has a function of grasp and transfer workpieces during the automated production.It is widely used industry field.The articulated manipulator is rely on the hydraulic sestem and PLC to achieve four freedom of motion, In this thesis,we use the knowledge of hydraulic, mechanism and electric control to comprehensively complete the design of hydraulic manipulator for automatic load and unload , including machine system,hydraulic and PLC control system.the mechanical part is designed on the basis of mechanics computation foundation after the structure analysis,including hang arm and fuselage.The hydraulic system design including the hydraulic computation and the selection of hydraulic components.The PLC control syetem design including ploting the ladder diagram,write instruction table and selecting the control components. Keywords: hydraulic manipulator；machine system; hydraulic system; PLC control syetem; v 第一章 機(jī)械手概況及其發(fā)展前景展望 　　 工業(yè)機(jī)械手是人類創(chuàng)造的一種機(jī)器,更是人類創(chuàng)造的一項(xiàng)偉大發(fā)明。它能模仿人的手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門，為各行各業(yè)帶來了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效果。 機(jī)械手的研究、開發(fā)和設(shè)計(jì)是從二十世紀(jì)中葉開始的，而我國的工業(yè)機(jī)械手是從80年代“七五”科技攻關(guān)開始的,當(dāng)時(shí)，在國家的大力支持下,通過“七五”,“八五”科技攻關(guān),截止目前，我國已經(jīng)基本掌握了機(jī)械手的設(shè)計(jì)制造技術(shù),控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù),運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，研究開發(fā)出了噴漆、孤焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等專用機(jī)械手，其中有130多臺(tái)噴漆機(jī)械手在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機(jī)器人也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械裝配的各個(gè)生產(chǎn)線上。 自動(dòng)上下料機(jī)械手主要實(shí)現(xiàn)機(jī)床制造過程的完全自動(dòng)化，并采用了集成加工技術(shù)，適用于生產(chǎn)線的上下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等。在國內(nèi)的機(jī)械加工，目前很多都是使用專機(jī)或人工進(jìn)行機(jī)床上下料的方式，這在產(chǎn)品比較單一、產(chǎn)能不高的情況下是非常適合的，但是隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，科技的日益進(jìn)步，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快， 使用專機(jī)或人工進(jìn)行機(jī)床上下料就暴露出了很多的不足和弱點(diǎn)，一方面專機(jī)占地面積大結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不便，不利于自動(dòng)化流水線的生產(chǎn)；另一方面，它的柔性不夠，難以適應(yīng)日益加快的變化，不利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整；其次，使用人工會(huì)造成勞動(dòng)強(qiáng)度的增加，容易產(chǎn)生工傷事故，效率也比較低下，且使用人工上下料的產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性不夠，不能滿足大批量生產(chǎn)的需求。使用上下料機(jī)器人自動(dòng)柔性搬運(yùn)系統(tǒng)就可以解決以上問題, 該系統(tǒng)具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性, 柔性較高且可靠性高, 結(jié)構(gòu)簡單更易于維護(hù), 可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn), 對(duì)用戶來說, 可以很快進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴(kuò)大產(chǎn)能, 并且可以大大降低產(chǎn)業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。 　　 第一節(jié) 工業(yè)機(jī)械手的分類 　　 為了滿足人類生產(chǎn)生活的需要，人們?cè)O(shè)計(jì)研究了種類繁多的機(jī)械手，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。 一、按規(guī)格（所搬運(yùn)工件的重量）分類 (一)微型機(jī)械手（搬運(yùn)重量在1公斤以下）： （二）小型機(jī)械手（搬運(yùn)重量在10公斤以下）： （三）中型機(jī)械手 (搬運(yùn)重量在50公斤以下)： （四）大型機(jī)械手 (搬運(yùn)重量在50公斤以上)。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的規(guī)格不斷細(xì)化，通用性、專用性不斷增強(qiáng)。現(xiàn)在的機(jī)械手最小的可以搬運(yùn)0.5公斤，最大的可以搬運(yùn)800公斤。 二、按功能分類 （一）簡易型工業(yè)機(jī)械手 這種機(jī)械手多為氣動(dòng)或液動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單，改變程序比較容易。一般使用在程序較簡單的點(diǎn)位控制場(chǎng)合，但作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機(jī)械手?jǐn)?shù)量最多。 （二）記憶再現(xiàn)型工業(yè)機(jī)械手 這種工業(yè)機(jī)械手由人工通過實(shí)驗(yàn)裝置傳動(dòng)一遍，由磁帶把程序記錄下來，此機(jī)械手就自動(dòng)按記憶的程序重復(fù)進(jìn)行循環(huán)動(dòng)作，多為電液伺服驅(qū)動(dòng)，與前者比較有較多的自由度，能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較廣。 （三）計(jì)算機(jī)數(shù)字控制的工業(yè)機(jī)械手 這種機(jī)械手可通過更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機(jī)械手的動(dòng)作，控制可以是可編程序控制或普通的微機(jī)計(jì)算機(jī)控制。 （四）智能工業(yè)機(jī)械手（機(jī)器人） 由電子計(jì)算機(jī)控制，通過各種傳感元件等具有視覺、熱感、觸覺、行走機(jī)構(gòu)等，是自動(dòng)化領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)之一。 三、按用途分類 （一）專用機(jī)械手 專用機(jī)械手一般附屬于主機(jī)，具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置，這種工業(yè)機(jī)械手工作對(duì)象不變，手動(dòng)比較簡單，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，適用于大批量生產(chǎn)自動(dòng)線或?qū)C(jī)作為自動(dòng)上、下料用。 （二）通用機(jī)械手 通用機(jī)械手具有獨(dú)立控制系統(tǒng)，程序可變、動(dòng)作靈敏、動(dòng)作靈活多樣。通用機(jī)械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，使用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動(dòng)化生產(chǎn)。 第二節(jié) 工業(yè)機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 　　 工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛，主要可以歸納為以下幾方面： （一）制造旋轉(zhuǎn)零件體自動(dòng)線方面 　　制造旋轉(zhuǎn)零件體（軸類、盤類、環(huán)類零件）自動(dòng)線，一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳送工件。 （二）在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面 　　1．各類半自動(dòng)車床，有自行夾緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料，裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。 　　2．注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手自動(dòng)取料，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。 　　3．沖床有自動(dòng)上下沖壓循環(huán)，機(jī)械手上下料可實(shí)現(xiàn)沖壓上產(chǎn)自動(dòng)化。 （三）鑄、鍛、焊、熱處理等方面 熱處理基本都在高溫高壓下進(jìn)行，利用機(jī)械手可以防止高溫輻射對(duì)人體的危害。 第三節(jié) 液壓驅(qū)動(dòng)自動(dòng)上下料機(jī)械手的特點(diǎn) 在生產(chǎn)實(shí)踐中，機(jī)械手以其動(dòng)作靈活，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)滿足了社會(huì)生產(chǎn)的諸多需要，給人類帶來了很多方便。其主要特點(diǎn)： 　　(一)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替人從事危險(xiǎn)，有害的操作，在長時(shí)間對(duì)人體有害的場(chǎng)所，機(jī)械手不受影響。 　　(二)機(jī)械手能持久、耐勞、可以把人從單調(diào)的繁重的勞動(dòng)中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。 　　(三)動(dòng)作準(zhǔn)確，可保證穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)可避免人為操作的錯(cuò)誤。 　　(四)通用性靈活性好，特別是通用機(jī)械手，能適應(yīng)產(chǎn)品品種迅速變化的要求，滿足柔性生產(chǎn)的需要。 (五)采用機(jī)械手能明顯的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。 液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手是機(jī)械手家族中的重要一員，液壓機(jī)械手的主要特點(diǎn)是： （一）可用于高溫金屬模板沖壓機(jī)床，來料溫度：900℃，出料溫度200℃； （二）獨(dú)特的二倍行程手臂疊加機(jī)構(gòu)，倍速機(jī)構(gòu)，可以滿足小空間、大行程的技術(shù)要求。 （三）運(yùn)行速度快，保證來料的溫度不下降，滿足沖壓工藝要求。 （四）性價(jià)比高。 第四節(jié) 機(jī)械手發(fā)展前景展望 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用將會(huì)越來越廣泛，機(jī)械手的靈活性、通用性將會(huì)越來越強(qiáng)大，今后的機(jī)械手將會(huì)朝著以下幾方面發(fā)展。 一、重復(fù)高精度 精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(diǎn)的精確程度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)次數(shù)多，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個(gè)機(jī)械手定位不夠精確，通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差，這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手來測(cè)定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。 二、模塊化 有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手動(dòng)作自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍，是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。 三、節(jié)能化 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。 四、機(jī)電液一體化 由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”；節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。 第二章 自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 第一節(jié) 機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制部分所組成。 各部分關(guān)系如下圖2-1所示： 工件 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 控制機(jī)構(gòu) 位置檢測(cè)裝置 圖2-1 工業(yè)機(jī)械手各部分關(guān)系圖 一、執(zhí)行機(jī)構(gòu)： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件所組成。 　?。ㄒ唬┦植浚褐苯优c工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。 （二）腕部：是聯(lián)接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物體的方位。 （三）臂部：手臂是支撐被抓物體，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到給定位置。 　　該設(shè)計(jì)的手臂有四個(gè)自由度，采用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)（手臂回轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)、手臂仰俯和機(jī)身移動(dòng)）關(guān)節(jié)坐標(biāo)式具有較大的工作空間和操作靈活性，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)性容易進(jìn)行優(yōu)化，便于提高機(jī)械手的動(dòng)態(tài)操作性能。 　　（四）行走機(jī)構(gòu)：有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)。 二、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 有氣動(dòng)，液動(dòng)，電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。 三、控制系統(tǒng) 　　一般選用電氣PLC控制，有點(diǎn)位控制和連續(xù)控制兩種方式。 第二節(jié) 機(jī)械手方案設(shè)計(jì) 一、黑箱結(jié)構(gòu)：如圖2-2所示： 圖2-2 設(shè)計(jì)方案 二、機(jī)械手動(dòng)作分析及運(yùn)動(dòng)分析，如圖2-3所示，工件首先被機(jī)械手夾緊，然后再隨之一起運(yùn)動(dòng)。其周期運(yùn)動(dòng)可以表現(xiàn)為：夾緊 、上仰、 底座移動(dòng)、大臂回轉(zhuǎn)、下俯、 放松工件、上仰、底座移動(dòng)、大臂逆轉(zhuǎn)、下俯。 圖2-3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)圖 三、功能原理如圖2-4所示： 信息 控制 松開 下俯 工件 夾緊 移動(dòng) 回轉(zhuǎn) 分配 轉(zhuǎn)換 能量 支持和聯(lián)接 圖2-4 機(jī)械手功能原理圖 四、傳動(dòng)系統(tǒng) 如果機(jī)械手采用機(jī)械傳動(dòng)，則自由度少，難于實(shí)現(xiàn)特別復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于自動(dòng)上下料的機(jī)械手，其工件的運(yùn)動(dòng)需要多個(gè)自由度才能完成，故不宜采機(jī)用機(jī)械傳動(dòng)方案.如果機(jī)械手采取氣壓傳動(dòng)，由于氣控信號(hào)比光、電信號(hào)慢得多，且由于空氣的可壓縮性，工作時(shí)容易產(chǎn)生抖動(dòng)和爬行，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和定位精度不可靠，效率也較低。電氣傳動(dòng)必須有減速裝w和將電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成Ii線運(yùn)動(dòng)的裝置，結(jié)構(gòu)龐大，速度不易控制。氣液聯(lián)合控制和電液聯(lián)合控制則使系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜。綜上所述.我們選擇液壓傳動(dòng)方式。 控制系統(tǒng) 本機(jī)械手是專用自動(dòng)機(jī)械手，選擇智能控制方式中的PLC程序控制方式，這樣可以使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加緊湊和完美。 五、執(zhí)行系統(tǒng)分析 本機(jī)械手的執(zhí)行系統(tǒng)是手部機(jī)構(gòu).手部機(jī)構(gòu)形式多樣，但綜合其總體構(gòu)型，可分為:氣吸式、電磁式和鉗爪式3種。本設(shè)計(jì)選擇鉗爪式手部結(jié)構(gòu)。 六、坐標(biāo)形式分析 分析本機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，采用關(guān)節(jié)坐標(biāo)形式。 第三節(jié) 工作范圍的確定 機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌跡來確定。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡是幾個(gè)動(dòng)作的合成，在確定工作范圍時(shí)，可將軌跡分解成單個(gè)的動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定機(jī)械手的最大行程。本機(jī)械手的動(dòng)作范圍確定如下： 手腕回轉(zhuǎn)順逆各180° 手臂回轉(zhuǎn)角度90° 手臂上仰60° 手臂下俯90° 底座移動(dòng)2000mm 第四節(jié) 確定運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)械手各動(dòng)作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。液壓上料機(jī)械手要完成整個(gè)上料過程，需完成夾緊工件、手臂仰俯、底座移動(dòng)、手臂手腕回轉(zhuǎn)等一系列的動(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在工作節(jié)拍規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，具體時(shí)間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對(duì)分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。 機(jī)械手的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，要按時(shí)間長的計(jì)算，分配各動(dòng)作時(shí)間應(yīng)考慮以下要求： 一、給定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)大于液壓元件的執(zhí)行時(shí)間； 二、伸縮運(yùn)動(dòng)的速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性一般大于伸縮運(yùn)動(dòng)的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與臂力、行程、驅(qū)動(dòng)方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。 三、在工作拍節(jié)短、動(dòng)作多的情況下，常使幾個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。為此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動(dòng)作的同步。 液壓上料機(jī)械手的各運(yùn)動(dòng)速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 手臂上仰速度 手臂下俯速度 底座水平運(yùn)動(dòng)速度 手指夾緊油缸的運(yùn)動(dòng)速度 第五節(jié) 手臂的配置形式 機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運(yùn)動(dòng)要求、操作環(huán)境、工作對(duì)象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動(dòng)范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座頂部的形式。手臂配置在機(jī)座頂部的機(jī)械手多為關(guān)節(jié)坐標(biāo)型，它有仰俯與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作范圍較大。 圖2-5 關(guān)節(jié)式機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡圖 第三章 機(jī)械手各部件的計(jì)算與分析 第一節(jié) 機(jī)械手手部的計(jì)算分析 手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。 一、設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 （一）應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 （二）手指間應(yīng)有一定的開閉角 兩個(gè)手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 （三）應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動(dòng)定心。 （四）應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 （五）應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。 二、滑槽杠桿式手部設(shè)計(jì)的基本要求 　　(一)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。 　　(二)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍。 　　(三)應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。 　　(四)要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 　　(五)應(yīng)考慮通用性和特殊要求。 三、手部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算與分析 （一）手部受力分析 圖3-1 滑槽杠桿式手部受力分析圖 　?。ǘ┦种赋叽绯醪皆O(shè)定 　　由拉桿的力平衡條件，取點(diǎn)O為研究對(duì)象： 得 由得 又由工件的平均半徑： 初取V型手指的夾角：。 ，，，，滑桿總長。 　　(三)夾緊力計(jì)算 由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零，手指水平位置夾取水平位置放置的工件。 由工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)表2-1查得: 又因?yàn)? 當(dāng)取最小值時(shí)，則增力比較大，手指走到最小行程時(shí)則有，過大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過大，這里取。 又因?yàn)? 這里取安全系數(shù)，工作情況系數(shù)；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率 手指夾緊時(shí)：夾緊缸活塞移動(dòng)范圍L＝130mm，其動(dòng)作時(shí)間t=1.5s（由機(jī)械手的動(dòng)作節(jié)拍時(shí)間得之），所以夾緊活塞移動(dòng)得平均速度為： （四）夾緊力N與驅(qū)動(dòng)力P的關(guān)系： 由于結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，在驅(qū)動(dòng)力的作用下，每一滑槽杠桿受力相等 圖3-2 夾緊力與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系圖 在不計(jì)摩擦力的情況下 ，為夾緊狀態(tài)的傾斜角＝50，夾緊工件半徑為50mm為例 ＝38.9kg 根據(jù)各力對(duì)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的力矩平衡條件，同樣在不計(jì)摩擦力的情況下 ，c為杠桿動(dòng)力臂，即驅(qū)動(dòng)銷對(duì)滑槽杠桿作用力對(duì)支點(diǎn)的垂直距離。 又因?yàn)閍=50mm C= 則 Nb= 當(dāng)夾緊半徑為25mm的工件時(shí)，＝ 則Nb= (五)動(dòng)作特性和傳動(dòng)特點(diǎn) 　　定位到最大行程時(shí)， 則取 又因?yàn)椋? 滑槽杠桿手指最大開閉角為 滑槽傾斜角的變化范圍可以為 可見機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比將在下列范圍內(nèi)變化 ， 所以開始所初步取的a，b與均符合要求。 （六）確定夾緊油缸外徑D 　　驅(qū)動(dòng)桿行程與手指開閉范圍關(guān)系 　?。謩e為手指夾緊工件范圍值時(shí)，滑槽相對(duì)于兩支點(diǎn)連接的傾斜角。 機(jī)構(gòu)效率，考慮到機(jī)構(gòu)效率，傳力比N/P的公式應(yīng)力 ＝0.9 又因?yàn)镚=250N,夾緊力F=500N, -工作負(fù)載即為重物重力＝250N。 －導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載，對(duì)于平導(dǎo)軌 －垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，＝0。 -導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1。 ， ，一般?。?.010.5s，時(shí)間內(nèi)速度變化量 啟動(dòng)： 穩(wěn)態(tài)： 工作壓力P的確定，工作壓力根據(jù)負(fù)載大小及機(jī)器的類型來初步確定。參閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表37.5按載荷選擇工作壓力為1。 （七）計(jì)算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d，由負(fù)載可知最大負(fù)載F為275N。 根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)表2－2可取為0.5，為0.95，d/D為0.7。 又因?yàn)? 式中：D—液壓缸內(nèi)徑 P—液壓缸工作壓力 —液壓缸工作效率， 根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)表2-4，將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑D=25mm,活塞桿直徑按d/D＝0.7及表2-5活塞直徑系列取d=18mm。 按工作要求夾緊力為一個(gè)夾緊缸提供，考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工作壓力應(yīng)大于復(fù)位彈簧的彈力。 又因?yàn)檫M(jìn)油缸在有桿腔，則其有效工作面積 液壓缸壁厚和外徑計(jì)算 式中：-最大工作壓力的1.5倍，＝1.5。 　 　-高強(qiáng)度鑄鐵，＝60 液壓缸工作行程的確定，并參照表2－6中的系列尺寸選取標(biāo)準(zhǔn)值S=100mm。 （八）缸蓋厚度的確定 一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求計(jì)算。 現(xiàn)取t=20mm； 活塞的寬度B一般取=(0.6～1.0),Z這里取0.6=15mm； 夾緊缸彈簧的確定； 彈簧工作載荷F=50N； 最大軸直徑； 最小筒直徑 彈簧剛度 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表30.2－8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得 材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm . 單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。 曲度系數(shù)＝1.14，G－彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G= Z=110mm,則活塞缸總長。 第二節(jié) 腕部計(jì)算與分析 一、腕部設(shè)計(jì)的基本要求 　　手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕具有獨(dú)立的自由度，此設(shè)計(jì)手腕有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和沿X軸左右擺動(dòng)兩個(gè)自由度。手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動(dòng)也采用回轉(zhuǎn)油缸。他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，自由度符合設(shè)計(jì)要求，它要求嚴(yán)格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。 (一)腕部處于臂部的前端，它連同手部的動(dòng)靜載荷均由臂部承受。腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)動(dòng)性能。因此在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 （二）腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)聯(lián)接和支承作用，除了保證力和運(yùn)動(dòng)的要求以及具有足夠的強(qiáng)度和剛度外還應(yīng)綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測(cè)和位置檢測(cè)、管線布置以及潤滑、維修調(diào)整等問題。 （三）腕部設(shè)計(jì)應(yīng)充分估計(jì)環(huán)境對(duì)腕部的不良影響（如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點(diǎn)，有關(guān)材料及電控電測(cè)元件的耐熱性等問題）。 二、腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 　　腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服手腕啟動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐孔處的摩擦阻力矩，轉(zhuǎn)動(dòng)的重心軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩 （—）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 從圖3-3可知：＝ 式中：－軸承處支反力 （N） -軸承的摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承0.01～0.02，滑動(dòng)軸承：0.1； 為簡化計(jì)算取 圖3-3 腕部回轉(zhuǎn)支承處的受力圖 -工件重量，-手部重量，－手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重量 （二）克服由于重心偏置所引起的力矩 ＝ 式中：e－工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時(shí)， （三）克服啟動(dòng)慣性，所需的力矩 啟動(dòng)過程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角加速度及啟動(dòng)所用的角速度： ＝ 式中：－工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量() J－手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（） －手腕回轉(zhuǎn)過程的角加速 －啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度（度） 手腕回轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)當(dāng)?shù)扔谏鲜鋈?xiàng)之和。 因?yàn)槭滞蠡剞D(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不是很大，手腕起動(dòng)過程所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩也不大，為了簡化計(jì)算，可以將計(jì)算，適當(dāng)放大，而省略掉，這時(shí) 　　1.設(shè)手指驅(qū)動(dòng)油缸及回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動(dòng)件為一個(gè)等效圓柱體，L=50cm，直徑D=10cm，則m=27.5kg。 　　2.摩擦阻力矩＝0.1 　　3.設(shè)起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度 ,等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 計(jì)算：求＝ 查型鋼表有： 代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：＝256（N·m） ＝0;＝0.1;＝0.1+265 （N·m） 確定轉(zhuǎn)軸的最小尺寸 ，－抗扭剖面模量 ，查得 ，，取轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm。 （四）回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩，機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所采用的單葉片回轉(zhuǎn)油缸，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與轉(zhuǎn)軸5固連，當(dāng)a,b口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)目的。 圖3-4 回轉(zhuǎn)缸簡圖 1-定片 2-缸體 3-動(dòng)片 4-密封圈 5-轉(zhuǎn)軸 回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩： M= 　　式中：—手腕回轉(zhuǎn)總的阻力矩（N·m） 　　　　　　—回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力 　　　　　　—缸體內(nèi)徑半徑（cm） 　　　　　　—輸出軸半徑（cm） —?jiǎng)悠瑢挾? 注：可按外形要求或安裝空間大小，先設(shè)定b,R,r中兩個(gè)： =1.5—2.5,,取=2，=3 又因?yàn)閐=40mm，則D=80mm，b=60mm 回轉(zhuǎn)油缸工作壓力： 由于系統(tǒng)工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此壓力，因此回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力足以克服摩擦力。 三、選鍵并校核強(qiáng)度 轉(zhuǎn)軸直徑,由GB1095-79選鍵為bh=128 轉(zhuǎn)軸直徑,由GB1095-79選鍵為bh=2010 鍵校核如下公式 =2T/kld[]，K——接觸面的高度 取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得=100 經(jīng)驗(yàn)算，算選鍵滿足要求。 第三節(jié) 臂部計(jì)算與分析 一、臂部設(shè)計(jì)的基本要求 　　手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工作），并帶動(dòng)它們作空間轉(zhuǎn)動(dòng)。 　　臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。因此，臂部具有兩個(gè)自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū)動(dòng)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。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(jī)械手的工作性能。 機(jī)身是固定的，它直接承受和傳動(dòng)手臂的部件，實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。臂部要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，需滿足下列各項(xiàng)基本要求： （一）機(jī)械手臂式機(jī)身的承載 機(jī)械手臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對(duì)于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能，位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長度，還應(yīng)注意： 　　1.根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 臂部和機(jī)身既受彎曲（而且不僅是一個(gè)方向的彎曲）也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機(jī)械手常用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及管道，有利于結(jié)構(gòu)的緊湊，外形整齊。 　　2.高支承剛度和選擇支承間的距離 臂部和機(jī)身的變形量不僅與本身剛度有關(guān)，而且同支撐的剛度和支撐件間距離有很大關(guān)系，要提高剛度，除從支座的結(jié)構(gòu)形狀，底板的剛度以及支座與底版的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度。 　　3.合理布置作用力的位置和方向 　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體受力情況，設(shè)法使各作用力的變形相互抵消。 　　1.設(shè)計(jì)臂部時(shí)，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以及減少重要不見的間隙，從而提高剛度。 　　2.水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時(shí)提高其配合精度和相對(duì)位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或者大部分自重。 　　3.提高活塞和剛體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。 　?。ǘ┍鄄窟\(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 　　機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一般時(shí)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)俯仰均要求均速運(yùn)動(dòng)，（V和w為常數(shù)），但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。 　　對(duì)于告訴運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在1000～1500mm/s，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動(dòng)速度為1000mm/s內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度為內(nèi)。 　　為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的措施： 　　1.減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。 　 2.減少手臂運(yùn)動(dòng)件的尺寸輪廓。 3.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）， 盡可能在前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作，并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。 　（三）手臂動(dòng)作應(yīng)靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件，導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng)過程盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。 1.計(jì)算零件重量，可分解為規(guī)則的體形進(jìn)行計(jì)算。 2.計(jì)算零件重心位置，求出重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離。 3.求重心位置并計(jì)算偏重力臂 　　4.計(jì)算偏重力矩 （四）位置精度要高 一般說來，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度教高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差；在手冊(cè)上加設(shè)定位裝置和自檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度，檢測(cè)裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)，嚙合件的間隙。 除此之外，要求機(jī)械手同用性要好，能適合做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。 二、手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 通常先進(jìn)行粗略的估算，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，在進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。 為了便于進(jìn)行液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算，分別俯仰缸回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)敘述如下： （一）小臂設(shè)計(jì) 設(shè)小臂L=40cm,D=60cm 則m= 則手臂總重，L=100mm =0.79kg 俯仰缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 圖3.6 仰俯缸的設(shè)計(jì)尺寸圖 設(shè)，， 當(dāng)手臂處在仰角為的位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)力P通過連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩為 因?yàn)椋? 又因?yàn)? =，=， 而P= 式中：P—油缸的工作壓力（） D—油缸內(nèi)徑（cm） —活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力（kg） —通油箱，=0 10590.3kg取=10600kg 106000.8=60356.601kg·cm 當(dāng)手臂處在俯角為的位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)力P通過連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力 因?yàn)椋? 所以 則 當(dāng)手臂處在水平位置即為驅(qū)動(dòng)力矩時(shí) 因?yàn)? 由于手臂與支柱連軸有振動(dòng)軸承，摩擦力矩較小=0 所以 驗(yàn)證油缸是否滿足要求，滿足上仰條件，出于時(shí) = =1134kgf 選取=0.7，所以 D=0.053m 整理得到D=63mm，則d=45mm。 液壓缸壁和外徑計(jì)算 高強(qiáng)度鑄鐵，=60 液壓缸為平底缸差，其厚度t按強(qiáng)度要求計(jì)算 無孔時(shí) 取t=3mm 液壓缸工作行程的確定 由 則S=16mm 則由表2-6中的系列尺寸查得（液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)） S=25cm則活塞桿L=30cm 活塞桿的穩(wěn)定性校核，活塞桿由45鋼制成。 桿長300mm，d=45mm 最大壓力P=1134N 設(shè)穩(wěn)定安全系數(shù)為， 由式 活塞桿兩端可簡化為鉸支座，故，活塞桿橫截面為圓形i= 故為，因?yàn)?，故不能用歐拉公式計(jì)算 使用直線公式，查資料得，優(yōu)化碳鋼的 由公式可得 可見活塞桿是小柔度變壓桿，由直線公式求出 而P=1134N，活塞桿的工作安全系數(shù)為n= 所以滿足要求。 三、油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距，進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù)目。缸的一端為缸體與缸蓋鑄造成一體，另一端缸體與缸蓋采用螺釘連接。 (一)缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距，進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù)目在這種連接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力為工作載荷Q和預(yù)進(jìn)力之和。 式中： P—驅(qū)動(dòng)力N P—工作壓力N/ Z—螺釘數(shù)目，取8 —預(yù)緊力N =K，K=1.5-1.8 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： 式中：=1.3——計(jì)算載荷（N） 表3-1 螺釘間距與壓力p的關(guān)系 工作壓力（） 螺釘間距（mm） 5—15 <150 15—25 <120 25—50 <100 50—100 <80 ()抗拉許用應(yīng)力 ，——螺紋內(nèi)徑（cm） 表3-2 常用螺釘材料的流動(dòng)極限 鋼號(hào) 10 A2 A3 35 45 40cr 2100 2200 2400 3200 3600 6500-9000 (二)缸體螺紋計(jì)算 式中，， D—油缸內(nèi)徑 —考慮螺紋拉應(yīng)力和扭應(yīng)力合成作用系數(shù)取=1.3 四、大臂回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩 式中：D—輸出軸與缸差密封處的直徑（cm） L—密封的有效長度（cm） —“O”形密封圈的截面直徑（cm） —“O”形圈在裝配時(shí)壓縮率，對(duì)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，k=0.03-0.35 —摩擦系數(shù) P—回轉(zhuǎn)軸缸的工作壓力（kg/） 選取=0.5，b=10cm,p=80kg/,設(shè)=6mm 若，則取 ，取，則，D=14cm 選用O型橡膠密封圈S58型，=4.7mm 則 —?jiǎng)悠瑐?cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力距 式中：—回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的角速度變化量，在啟動(dòng)過程中（弧度/秒） —啟動(dòng)過程時(shí)間 —手臂回轉(zhuǎn)部件，對(duì)回轉(zhuǎn)軸的輕功慣量（） 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為 則 式中：—回轉(zhuǎn)零件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 =649.2（） 設(shè)角速度，啟動(dòng)時(shí)間 —般取=0.2P=16（） 由內(nèi)徑公式 基本滿足要求，則D=16cm，d=8cm。又由 五、缸蓋連接螺釘和動(dòng)片連接螺釘計(jì)算 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 或（取=8mm） 式中：—螺釘?shù)膬?nèi)徑（cm） —計(jì)算載荷（kgf） —螺釘材料作用拉應(yīng)力 第四節(jié) 機(jī)身計(jì)算與分析 機(jī)身是直接支撐和傳動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)體的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。此次設(shè)計(jì)機(jī)身為地面軌道運(yùn)動(dòng)式。它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是步進(jìn)電機(jī)其型號(hào)為Y132S—8，功率2.2KW，轉(zhuǎn)速710r/min，在電動(dòng)機(jī)后接了一個(gè)圓錐圓柱齒輪減速器其輸出速度為1.2m/s。在后安裝一個(gè)制動(dòng)箱。其主要參數(shù)是由外部計(jì)算機(jī)調(diào)整和控制，在很大程度上是由運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡運(yùn)動(dòng)而去編制小車的運(yùn)行程序。 第四章 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第一節(jié) 機(jī)械手液壓系統(tǒng)簡介 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)是指組成一個(gè)新的能量傳遞系統(tǒng)，從而完成一項(xiàng)專門的任務(wù)，有傳動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之分，其設(shè)計(jì)與主機(jī)的設(shè)計(jì)密切聯(lián)系，不僅要滿足主機(jī)的拖動(dòng)、循環(huán)要求，還必須符合結(jié)構(gòu)組成簡單、體積小、質(zhì)量輕、工作安全可靠、使用維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)性好等公認(rèn)的設(shè)計(jì)原則。在實(shí)際的設(shè)計(jì)中我們應(yīng)兼顧效能和安全，確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。 自動(dòng)上下料機(jī)械手的液壓系統(tǒng)是機(jī)械手各項(xiàng)動(dòng)作循環(huán)的驅(qū)動(dòng)源，她的傳動(dòng)是以壓力油液作為工作介質(zhì)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作俯仰、回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。 第二節(jié) 液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成： 一、動(dòng)力元件。它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。 二、執(zhí)行元件。把液壓能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)做功的裝置。它可以是做直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸，也可以是做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液壓馬達(dá)。本設(shè)計(jì)中手臂回轉(zhuǎn)的執(zhí)行元件是回轉(zhuǎn)液壓缸，手指加緊對(duì) 執(zhí)行元件是夾緊液壓缸。 三、控制元件。對(duì)液壓系統(tǒng)中油液壓力、流量、運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行控制的裝置，主要是指各種閥體等，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，這些閥相互配合，各起一定作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動(dòng)。 第三節(jié) 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 自動(dòng)上下料機(jī)械手的控制系統(tǒng)，根據(jù)工況和機(jī)械手自由度等因素，設(shè)計(jì)可繁可簡，繁簡回路大同小異，都是由一些基本控制回路組成，如壓力控制回路，速度控制回路，方向控制回路等，這些基本控制回路具有工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運(yùn)動(dòng)的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動(dòng)等功能。 一、壓力控制回路 （一）調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。 （二）卸荷回路 在機(jī)械手各油缸不工作時(shí)，液壓泵電機(jī)又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動(dòng)力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，避免因液壓泵頻繁啟、停影響液壓泵的壽命使油泵在低負(fù)荷下工作，所以采用卸荷回路。本機(jī)械手采用二位二通電磁閥控制先導(dǎo)式溢流閥遙控口卸荷回路。 （三）減壓回路 為了是機(jī)械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個(gè)減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。 （四）平衡與鎖緊回路 在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機(jī)構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路支撐平衡回路運(yùn)動(dòng)部件的自動(dòng)。為了使機(jī)械手手臂在移動(dòng)過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運(yùn)動(dòng)并鎖緊。本機(jī)械手采用單向順序閥做平衡閥實(shí)現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。 （五）油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護(hù)油泵。液壓系統(tǒng)工作時(shí)，油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液，以驅(qū)動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)而做功。當(dāng)一旦電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時(shí)間的聯(lián)系，從而起到保護(hù)油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機(jī)時(shí)，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。 二、速度控制回路 液壓機(jī)械手各種運(yùn)動(dòng)速度的控制，主要是改變進(jìn)入油缸的流量Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進(jìn)入油缸或油馬達(dá)的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機(jī)械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。 節(jié)流調(diào)速回路是通過改變回路中的流量控制元件（節(jié)流閥或調(diào)速閥）的通流截面積的大小來控制流入或流出執(zhí)行元件的流量，以調(diào)節(jié)其運(yùn)動(dòng)速度。有串聯(lián)節(jié)流調(diào)速和并聯(lián)節(jié)流調(diào)速兩種回路，串聯(lián)節(jié)流回路又包括進(jìn)油節(jié)流和回油節(jié)流兩種。根據(jù)各油泵的運(yùn)動(dòng)速度要求，可分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調(diào)速閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。 節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點(diǎn)是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價(jià)格便宜。其缺點(diǎn)是：有壓力和流量損耗，在低速負(fù)荷傳動(dòng)時(shí)效率低，發(fā)熱大。 采用節(jié)流閥進(jìn)行節(jié)流調(diào)速時(shí)，負(fù)荷的變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會(huì)引起節(jié)流閥進(jìn)出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。 調(diào)速閥能夠隨負(fù)荷的變化而自動(dòng)調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運(yùn)動(dòng)速度不受負(fù)荷變化的影響，對(duì)速度的平穩(wěn)性要求高的場(chǎng)合，宜用調(diào)速閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。 三、方向控制回路 方向控回路是用來控制液壓系統(tǒng)油路中液流的通、斷或流向，從而改變執(zhí)行原件的運(yùn)動(dòng)方向和工作狀態(tài)。在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動(dòng)滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號(hào)，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。 目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（D型）和直流電磁閥（E型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220V（也有380V或36V），直流電磁閥的使用電壓一般為24V（或110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動(dòng)性能好，換向時(shí)間短，接線簡單，價(jià)廉，但是如吸不上時(shí)容易燒壞，可靠性差，換向時(shí)有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。 第四節(jié) 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)圖從油路原理上具體體現(xiàn)了各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求，是整個(gè)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機(jī)械手動(dòng)作要求的有機(jī)聯(lián)系圖。在擬定過程中，要分析對(duì)比制定出各種合適的液壓回路方案，然后將這些回路組合成成完整的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的擬定通常采用經(jīng)驗(yàn)法。 繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個(gè)液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號(hào)，畫出液壓原理圖。 第五節(jié) 液壓缸計(jì)算 根