輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真摘要隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越重要。文章主要敘述了機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程 。首先，本文介紹機(jī)械手的作用，機(jī)械手的組成和分類，說(shuō)明了自由度和機(jī)械手整體座標(biāo)的形式。同時(shí)，本文給出了這臺(tái)機(jī)械手的主要性能規(guī)格參量。文章中介紹了搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)理論與方法。全面詳盡的討論了搬運(yùn)機(jī)械手的手部、腕部、手臂以及機(jī)身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。最后使用軟件對(duì)機(jī)械手的手部實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；運(yùn)動(dòng)仿真；液壓傳動(dòng)；液壓缸；目錄中文摘要1英文摘要2主要符號(hào)表51 緒論11.1前言11.2 工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史11.3工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用31.3.1 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤(pán)類、環(huán)類）自動(dòng)線31.3.2 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面31.3.3 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面31.4 機(jī)械手的組成41.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)41.4.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)41.4.3 控制系統(tǒng)分類51.5工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)51.6 本文主要研究?jī)?nèi)容61.7 本章小結(jié)62機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案72.1 機(jī)械手基本形式的選擇72.2機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)72.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇82.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表82.5 本章小結(jié)83 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算93.1 手部設(shè)計(jì)基本要求93.2 典型的手部結(jié)構(gòu)93.3機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算93.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置93.3.2 手抓的力學(xué)分析103.3.4 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算113.3.5 手抓夾持范圍計(jì)算123.4 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算133.5彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算143.6 本章小結(jié)164 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算174.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求174.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇174.2.1典型的腕部結(jié)構(gòu)174.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇184.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算184.3.1 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù)184.3.2 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算184.3.3 腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算194.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算204.3.5動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘214.4 本章小結(jié)225 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算235.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求235.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇245.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)245.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)選擇機(jī)構(gòu)的245.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算245.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算245.3.2 手臂慣性力的計(jì)算265.3.3 密封裝置的摩擦阻力265.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定265.5 本章小結(jié)286 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算296.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì)296.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算306.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算346.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算346.3.2 升降不自鎖條件分析計(jì)算356.3.3 手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算366.4 軸承的選擇方案366.5 本章小結(jié)377ADAMS 模型的建立與仿真387.1虛擬樣機(jī)技術(shù)387.2 ADAMS軟件387.3 手部模型的建立407.4 本章小結(jié)448 結(jié)論45主要符號(hào)表 手指夾緊力 ND 彈簧中徑 彈簧內(nèi)徑 彈簧外徑 C 彈簧旋繞比 n 彈簧有效圈數(shù)M 轉(zhuǎn)動(dòng)缸的回轉(zhuǎn)力矩 偏重力臂 mm 偏重力矩 t 螺釘間距 mm 螺釘承受的拉力 N 工作載荷 N22 1 緒論1 緒論1.1前言用于再現(xiàn)人手的的功能的技術(shù)裝置稱為。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的機(jī)械手被稱為。工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門(mén)新興的學(xué)科機(jī)械手工程。機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門(mén)跨學(xué)科綜合技術(shù)。工業(yè)機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。他的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重視，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的。 機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。 隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.2 工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化。機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國(guó)機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate(即萬(wàn)能自動(dòng))。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門(mén)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國(guó)機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。1978年美國(guó)Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。美國(guó)還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到0.1毫米。德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從1970年開(kāi)始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國(guó)KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機(jī)械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門(mén)用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長(zhǎng)。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬(wàn)機(jī)器人在工作。 第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。目前國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺(jué)和視覺(jué)機(jī)械手。第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。1.3工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 機(jī)械手是工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域中經(jīng)常遇到的一種控制對(duì)象。機(jī)械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應(yīng)用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動(dòng)化水平越來(lái)越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機(jī)械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險(xiǎn)的工作?？稍跈C(jī)械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國(guó)生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機(jī)床上加工的時(shí)間僅占零件生產(chǎn)時(shí)間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運(yùn)等工序機(jī)械化的迫切性，工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而產(chǎn)生的。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠?qū)崿F(xiàn)這類工作的搬運(yùn)機(jī)械手為研究對(duì)象。下面具體說(shuō)明機(jī)械手在工業(yè)方面的應(yīng)用。1.3.1 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤(pán)類、環(huán)類）自動(dòng)線一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。國(guó)內(nèi)這類生產(chǎn)線很多，如沈陽(yáng)永泵廠的深井泵軸承體加工自動(dòng)線（環(huán)類），大連電機(jī)廠的4號(hào)和5號(hào)電動(dòng)機(jī)加工自動(dòng)線（軸類），上海拖拉機(jī)廠的齒坯自動(dòng)線（盤(pán)類）等。加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的，如上海動(dòng)力機(jī)廠的氣蓋加工自動(dòng)線轉(zhuǎn)位機(jī)械手。1.3.2 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面各類半自動(dòng)車床，有自動(dòng)加緊、進(jìn)刀、切削、退刀和松開(kāi)的功能，單仍需人工上下料；裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)，一人看管多臺(tái)機(jī)床。目前，機(jī)械手在這方面應(yīng)用很多，如上海柴油機(jī)廠的曲拐自動(dòng)車床和座圈自動(dòng)車床機(jī)械手，大連第二車床廠的自動(dòng)循環(huán)液壓仿行車床機(jī)械手，沈陽(yáng)第三機(jī)床廠的Y38滾齒機(jī)械手，青海第二機(jī)床廠的滾銑花鍵機(jī)床機(jī)械手等。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類產(chǎn)品出廠是就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩舭惭b機(jī)械手提供條件。如上海第二汽車配件廠的燈殼沖壓生產(chǎn)線機(jī)械手（生產(chǎn)線中有兩臺(tái)多工位機(jī)床）和天津二注塑機(jī)有加料、合模、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手的自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化生產(chǎn)。目前機(jī)械手在沖床上應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是160t以上的沖床用機(jī)械手的較多。如沈陽(yáng)低壓開(kāi)關(guān)廠200t環(huán)類沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠400t沖床的下料機(jī)械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的120t和40t多工位沖床機(jī)械手等。 1.3.3 鑄、鍛、焊熱處理等熱加工方面模鍛方面，國(guó)內(nèi)大批量生產(chǎn)的3t、5t、10t模鍛錘，其所配的轉(zhuǎn)底爐，用兩只機(jī)械手成一定角度布置早爐前，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出料自動(dòng)化。上海柴油機(jī)廠、北京內(nèi)燃機(jī)廠、洛陽(yáng)拖拉機(jī)廠等已有較成熟的經(jīng)驗(yàn)。1.4 機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。1.4.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)（1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動(dòng)型（多為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(pán)（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。 傳力機(jī)構(gòu)形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來(lái)調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)、左右擺動(dòng)。一般腕部設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求，有些動(dòng)作較為簡(jiǎn)單的專用機(jī)械手，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，可以不設(shè)腕部，而直接用臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)手部搬運(yùn)工件。目前，應(yīng)用最為廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴(yán)格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。（3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動(dòng)他們做空間運(yùn)動(dòng)。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉(zhuǎn)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較為多，受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機(jī)械手的工作性能。（4） 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)，我國(guó)的正處于仿真階段。1.4.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。1.4.3 控制系統(tǒng)分類在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點(diǎn)位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)控制，采用凸輪、磁盤(pán)磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特性。1.5工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的6.5萬(wàn)美元。(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開(kāi)放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺(jué)、力覺(jué)等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操縱機(jī)器人。(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。(7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。從94年美國(guó)開(kāi)發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開(kāi)拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)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，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)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(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開(kāi)發(fā)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之。1.6 本文主要研究?jī)?nèi)容本文研究了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計(jì)工作（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）的設(shè)計(jì)工作。進(jìn)而運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)機(jī)械手的手部及升降機(jī)構(gòu)作了運(yùn)動(dòng)仿真分析。掌握了機(jī)械仿真的一般過(guò)程。1.7 本章小結(jié)本章簡(jiǎn)要的介紹了機(jī)械手的基本概念。在機(jī)械手的組成上，系統(tǒng)的從執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制部分三個(gè)方面說(shuō)明。比較細(xì)致的介紹了機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)，簡(jiǎn)要的敘述了本文研究的內(nèi)容。 2機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案本課題是輕型平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，以及ADAMS軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)仿真。在本章中對(duì)機(jī)械手的座標(biāo)形式、自由度、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此，在機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任務(wù)，然后通過(guò)ADAMS軟件對(duì)機(jī)械手的手部進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)仿真。2.1 機(jī)械手基本形式的選擇常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)械手根據(jù)手臂的動(dòng)作形態(tài),按坐標(biāo)形式大致可以分為以下4種: (1)直角坐標(biāo)型機(jī)械手;(2)圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手; ( 3)球坐標(biāo)(極坐標(biāo))型機(jī)械手; (4)多關(guān)節(jié)型機(jī)機(jī)械手。其中圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設(shè)計(jì)采用圓柱坐標(biāo)。圖1.1 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。圖中機(jī)械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運(yùn)到傳送帶B。圖1.1 機(jī)械手基本形式示意2.2機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)在圓柱坐在圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，為了滿足設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)關(guān)于機(jī)械手具有5個(gè)自由度既：手抓張合；手部回轉(zhuǎn)；手臂伸縮；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降5個(gè)主要運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)機(jī)械手主要由4個(gè)大部件和5個(gè)液壓缸組成：（1）手部，采用一個(gè)直線液壓缸，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手抓的張合。（2） 腕部，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)（3）臂部，采用直線缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂平動(dòng)1.2m。（4）機(jī)身，采用一個(gè)直線缸和一個(gè)回轉(zhuǎn)缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。2.3驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇液壓驅(qū)動(dòng)。2.4 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：搬運(yùn):用于車間搬運(yùn)二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):1、抓重:60Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù):5個(gè)自由度3、座標(biāo)型式:圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑:1600mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程：1200mm伸縮速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回轉(zhuǎn)范圍:7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍: 2.5 本章小結(jié)本章對(duì)機(jī)械手的整體部分進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，選擇了機(jī)械手的基本形式以及自由度，確定了本設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)，給出了設(shè)計(jì)中機(jī)械手的一些技術(shù)參數(shù)。下面的設(shè)計(jì)計(jì)算將以次進(jìn)行。3 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 3 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 手部設(shè)計(jì)基本要求（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。（2） 手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開(kāi)閉角度（手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度），以便于抓取工件。（3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。3.2 典型的手部結(jié)構(gòu)（1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。（2） 移動(dòng)型 移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（3）平面平移型。3.3機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角=，夾取重量為60Kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開(kāi)閉合靠手指的平行移動(dòng),這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動(dòng)力需加在手指移動(dòng)方向上,這樣會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。通過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開(kāi)式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機(jī)械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機(jī)械手手指張開(kāi)。3.3.2 手抓的力學(xué)分析下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖3.1（a）為常見(jiàn)的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。(a) (b)圖3.1 滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析1手指 2銷軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過(guò)銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點(diǎn)，交和的延長(zhǎng)線于A及B。由=0 得 =0 得 由=0 得h F= （3.1）式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離（mm）. 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增大，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=。3.3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： （3.2）式中 安全系數(shù)，通常1.22.0； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度； 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.030.5s 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。 G被抓取工件所受重力（N）。表3-1 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以上計(jì)算：設(shè)a=100mm,b=50mm,<<機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。(1) 設(shè) =1.02 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.5 （2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得： =1378N （3）取 （4）確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa, 根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm則活塞桿內(nèi)徑為:D=630.5=31.5mm，選取d=32mm3.3.4 手抓夾持范圍計(jì)算為了保證手抓張開(kāi)角為，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為34mm。手抓夾持范圍，手指長(zhǎng)100mm,當(dāng)手抓沒(méi)有張開(kāi)角的時(shí)候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開(kāi)時(shí)，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計(jì)算如下： 機(jī)械手的夾持半徑從（a） (b)圖3.2 手抓張開(kāi)示意圖3.4 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來(lái)決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差。圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計(jì)以棒料來(lái)分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持范圍為80mm180mm。一般夾持誤差不超過(guò)1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長(zhǎng),取V型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：計(jì)算 當(dāng)S時(shí)帶入有：夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。3.5彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計(jì)算如下。圖3.4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)(1).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力(2).選擇旋繞比C=8，則 （3.3）(3).根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 （3.4）(5). 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3.5）選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈(6).最后確定，(7).對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算 對(duì)于壓縮彈簧如果長(zhǎng)度較大時(shí)，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比，本設(shè)計(jì)彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?當(dāng)兩端固定時(shí)，,當(dāng)一端固定；一端自由時(shí)，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，。結(jié)論本設(shè)計(jì)彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。(8).疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。對(duì)于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時(shí)，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）?，F(xiàn)在由于本設(shè)計(jì)是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算公式： （3.6）選取1.31.7（力學(xué)性精確能高） （3.7）結(jié)論：經(jīng)過(guò)校核，彈簧適應(yīng)。 3.6 本章小結(jié)通過(guò)本章的設(shè)計(jì)計(jì)算，先對(duì)滑槽杠桿式的手部結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，然后分別對(duì)滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，在滿足基本要求后，對(duì)手部的夾持精度進(jìn)行分析計(jì)算。4 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 4 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求（1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，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)轉(zhuǎn)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。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3） 必須考慮工作條件對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇4.2.1典型的腕部結(jié)構(gòu)(1) 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用?；剞D(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于）。(2) 齒條活塞驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。(4) 機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動(dòng)。4.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 夾取工件重量60Kg，回轉(zhuǎn)。4.3.2 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算（1） 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩需要的力矩。（2） 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。夾取棒料直徑100mm，長(zhǎng)度1000mm，重量60Kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)算 力矩：（1） 手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14（2） 擦力矩。（3） 啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。 （4.1）查取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有：代入： 4.3.3 腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設(shè)缸體內(nèi)空半徑R=110mm，外徑根據(jù)表3-2選擇121mm,這個(gè)是液壓缸壁最小厚度，考慮到實(shí)際裝配問(wèn)題后，其外徑為226mm；動(dòng)片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4.1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇8Mpa圖4.1 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意表4.2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 5063809010011012514015016018020020鋼P(yáng)5060769510812113316814618019421924545鋼506076951081211331681461801942192454.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算圖4.2 缸蓋螺釘間距示意表4.3 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系工作壓力P（Mpa）螺釘?shù)拈g距t(mm)小于150小于120小于100小于80缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，如圖4.2所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見(jiàn)表4.3，在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力 （4.2）計(jì)算：液壓缸工作壓強(qiáng)為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個(gè)螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=8個(gè) 危險(xiǎn)截面 (4.3) 所以 =11863.3+10545=19772N螺釘材料選擇Q235，（）螺釘?shù)闹睆?（4.4）螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.4.3.5動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘（1） 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘動(dòng)片和輸出軸之間的連接結(jié)構(gòu)見(jiàn)上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝，并用兩個(gè)定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密。 于是得 (4.5)D動(dòng)片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對(duì)銅取f=0.15螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 (4.6)或 (4.7)帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12mm.選擇M12的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘。4.4 本章小結(jié)本章通過(guò)四種基本的手腕結(jié)構(gòu)，選擇了具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。并進(jìn)行的腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算，同時(shí)也計(jì)算了回轉(zhuǎn)缸連接螺釘?shù)闹睆健?臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算 5 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部應(yīng)該具備3個(gè)自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 5.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕（1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。（2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。（5） 提高配合精度。二、 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(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(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有3個(gè)途徑：（1） 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料。（2） 減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸。（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。（4） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。三、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(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)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)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)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。23 總結(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問(wèn)題，只有這樣，才能設(shè)計(jì)出完美的、性能良好的機(jī)械手。5.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇5.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見(jiàn)的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：（1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。（2） 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。（3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。（4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。5.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇通過(guò)以上，綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動(dòng),液壓缸選取雙作用液壓缸。5.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，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，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力，來(lái)確定來(lái)確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。 (5.1)5.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算分析：摩擦力的計(jì)算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。上圖是機(jī)械手的手臂示意圖，本設(shè)計(jì)是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在伸縮崗兩側(cè)。圖 5.1 機(jī)械手臂部受力示意計(jì)算如下：由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。得 得 (5.2)式中 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計(jì)算; a導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（m）; 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。對(duì)于圓柱面：摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無(wú)潤(rùn)滑時(shí)：鋼對(duì)青銅：取鋼對(duì)鑄鐵：取計(jì)算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 ，L=1.69-0.028=1.41m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計(jì)為0.016m將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算5.3.2 手臂慣性力的計(jì)算本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是V=,在計(jì)算慣性力的時(shí)候,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間，啟動(dòng)速度V=V=, (5.3)5.3.3 密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封，當(dāng)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(guò)以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力：5.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=6210N，根據(jù)表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa（1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖5.2所示圖5.2 雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔，當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中， 液壓缸的有效面積：故有 （無(wú)桿腔） (5.4) （有桿腔） (5.5)F=6210N，=，選擇機(jī)械效率將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=65mm.（2） 液壓缸外徑的設(shè)計(jì)根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為79mm.（3） 活塞桿的計(jì)算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。對(duì)于桿長(zhǎng)L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： (5.6)設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為碳剛，故，活塞直徑d=20mm,L=1360mm,現(xiàn)在進(jìn)行校核。結(jié)論： 活塞桿的強(qiáng)度足夠。5.5 本章小結(jié)本章設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)，手臂采用雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)，對(duì)驅(qū)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算，并對(duì)液壓缸的基本尺寸進(jìn)行了設(shè)計(jì)。286機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 6 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。6.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì)按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂1800的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。為了設(shè)計(jì)出合理的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮，分析。機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大。（2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。（3） 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。分析：經(jīng)過(guò)綜合考慮，本設(shè)計(jì)選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。如上圖所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向。花鍵軸與與升降缸的下端蓋用鍵來(lái)固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過(guò)花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過(guò)兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來(lái)決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)1800。39圖6.1 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖6.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算（1） 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)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)慣性力矩的計(jì)算 (6.2)式中 回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量（），在起動(dòng)過(guò)程中=；t起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間(s);手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）。若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為，則 (6.3)式中 回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 (6.4)回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個(gè)長(zhǎng)1800mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)