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四 川 理 工 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）說 明 書 題 目 12KG下料機械手設(shè)計 學(xué) 生 郭 建 系 別 機 電 工 程 系 專 業(yè) 班 級 機電一體化 03.1班 學(xué) 號 0 3 0 1 1 0 1 0 6 指 導(dǎo) 教 師 王 漢 勝 四 川 理 工 學(xué) 院 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 設(shè)計（論文）題目：12KG下料機械手設(shè)計 系： 機電工程系 專業(yè)：機電 班級：2003級3班 學(xué)號： 030110106 學(xué)生：郭建 指導(dǎo)教師：王漢勝 接 受 任 務(wù) 時 間 2007.3.5 教 研 室 主 任 （簽名） 系 主 任 （簽名） 1．畢業(yè)設(shè)計（論文）的主要內(nèi)容及基本要求 （1）主要技術(shù)指標(biāo)及要求 負(fù)載：12KG 回轉(zhuǎn)角度：180° 手臂行程：150MM （2）、設(shè)計內(nèi)容與要求 1. 編寫設(shè)計計算說明書 說明書應(yīng)有以下內(nèi)容 ：（1）目錄；（2）300字以上的中、英文摘要；（3）機構(gòu)原理、液壓驅(qū)動原理、電器控制原理；（4）主要零件的設(shè)計（包括強度、剛度計算等）；（5）總結(jié)；（6）參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。 2.工程圖紙要求 （1）機構(gòu)裝配總圖（人工繪圖）； （2）主要零部件圖（CAD繪圖） 2．指定查閱的主要參考文獻(xiàn) ⒈《機械設(shè)計手冊》 2.《工業(yè)機器人》 ⒊《傳感器》 4.《機電傳動控制》 ⒌《液壓與氣壓傳動》 6.《工業(yè)機械手》 3．進(jìn)度安排 ? 設(shè)計（論文）各階段名稱 起 止 日 期 1 相關(guān)資料的收集及總體機構(gòu)的確定 2007.3.5~2007.3.25 2 主要零件的設(shè)計和強度計算 2007.3.26~2007.4.20 3 畫總裝配圖及零件圖 2007.4.21~2007.5.31 4 設(shè)計說明書編制 2007.6. 1~2007.6.4 5 檢查 2007.6.5~2007.6.6 摘 要 機械手是模仿人的手部動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運和操作是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的現(xiàn)代制造業(yè)重要的自動化裝備。它特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。機械手一般由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及檢測裝置三大部分組成，智能機械手還具有感覺系統(tǒng)和智能系統(tǒng)。本篇是按照給定的設(shè)計參數(shù)，完成了機械手的設(shè)計計算，通過計算，確定了機械手夾緊缸和升降缸的活塞直徑和活塞行程及回轉(zhuǎn)缸的結(jié)構(gòu)尺寸、按照有關(guān)參考資料和設(shè)計任務(wù)書的要求，完成了機械手的總體布置和設(shè)計。根據(jù)設(shè)計計算的過程，分手部，手臂伸縮，手臂回轉(zhuǎn)，驅(qū)動系統(tǒng)，電氣系統(tǒng)介紹了12KG下料機械手設(shè)計過程并編寫了畢業(yè)設(shè)計說明書一份。 關(guān)鍵詞：機械手 執(zhí)行機構(gòu) 驅(qū)動系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 電氣系統(tǒng) ABSTRACT The manipulator is the industry robot important constituent, It may be called the industry robot in very many situations. The industry robot is the collection machinery, electronic, thecontrol, the computer, the sensor, the artificial intelligence and soon the multi-disciplinary advanced technology to a body modernmanufacturing industry important automation equipment. The manipulator imitates person's hand movement, according to assignsthe procedure, the path and the request realization automaticallycaptures, the transporting and the operation automatic device. It specially is in the high temperature, the high pressure, the multi-dust, flammable, explosive, radioactive and so on in the adversecircumstance, as well as is unwieldy, monotonously, in the frequentoperation replaces the person work, therefore obtains day by day thewidespread application. The manipulator generally by the implementing agency, the actuationsystem, the control system and the detector set three major part iscomposed, the intelligent manipulator also has the feeling system andthe intelligent system. This is according to the main technical specification and the requestwhich assigns, divides the hand, the arm expands and contracts, thearm rotation, the actuation system, the electrical system introducedthe 8KG yummy treats manipulator designs the process. Keywords: Manipulator Implementing agency Actuation system Control system Electrical system 第一章 緒論 1.1工業(yè)機械手的設(shè)計目的 工業(yè)機械手設(shè)計是機械手機械制造,機械設(shè)計和機械電子工程(機電一體化)等專業(yè)的一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié),是學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課及有關(guān)專業(yè)課的一次專業(yè)課內(nèi)容的綜合設(shè)計.通過設(shè)計提高學(xué)生的機構(gòu)分析與綜合的能力,機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力,機電液一體化系統(tǒng)設(shè)計能力,掌握實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法.通過設(shè)計把有關(guān)課程(機構(gòu)分析與綜合,機械原理,機械設(shè)計,液壓與氣壓技術(shù),自動控制理論,測試技術(shù),數(shù)控技術(shù),微型計算機原理及應(yīng)用,自動機械設(shè)計等)中所獲得的理論知識在實際中綜合地加以運用,使這些知識得到鞏固和發(fā)展,并使理論知識和生產(chǎn)密切地結(jié)合起來.工業(yè)機械手設(shè)計是機械設(shè)計及制造專業(yè)和機械電子工程專業(yè)的學(xué)生一次比較完善的機電一體化設(shè)計.通過設(shè)計,培養(yǎng)學(xué)生獨立的機械整體設(shè)計的能力,樹立正確的設(shè)計思想,掌握機電一體化機械產(chǎn)品設(shè)計的基本方法和步驟,為自動機械設(shè)計打下良好的基礎(chǔ).通過設(shè)計,使學(xué)生能熟練地應(yīng)用有關(guān)參考,計算圖表,手冊,圖冊,和規(guī)范;熟悉有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn),以完成一個工程技術(shù)人員在機械整體設(shè)計方面所必須具備的基本技能訓(xùn)練. 1.2工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的作用 a 建造旋轉(zhuǎn)體零件 b 實習(xí)單機自動化 c 鍛，焊，熱處理等熱加工方面 1.3工業(yè)機械手的分類 1.3.1按規(guī)格（所搬運的工件重量）分類 a 微型的 搬運重量在1kg以下 b 小型的 搬運重量在10kg以下 c 中型的 搬運重量在50kg以下 d 大型的 搬運重量在500kg以下 1.3.2按功能分類 a 簡易型工業(yè)機械手 有固定程序和可變程序兩種。固定程序由凸輪轉(zhuǎn)鼓或擋塊轉(zhuǎn)鼓控制，可變程序用插銷板或轉(zhuǎn)鼓控制來給定程序。 b 記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手 這種工業(yè)機械手由人工通過示教裝置領(lǐng)教一遍，由記憶元件把程序記錄下來，以后機械手就自動按記憶的程序重法進(jìn)行循環(huán)動作 c 計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手 可通過更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機械手的動作程序，還可以進(jìn)行多機控制。 d 智能工業(yè)機械手 由電子計算機通過各種傳感元件等進(jìn)行控制，具有視覺，熱覺，觸覺，行走機構(gòu)等 1.3.3按用途分類 a 專用機械手 附屬于主機的，具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。這種機械手工作對象不變，動作固定，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，適用于成批，大量生產(chǎn)的生產(chǎn)自動線或?qū)C作為自動上，下料用。 b 通用機械手 具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變，動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，適用于工件經(jīng)常變換的中，小批量自動化生產(chǎn)。 1.4工業(yè)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 a 執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)由抓取部分(手部),腕部,肩部和行走機構(gòu)等運動部件組成 b 驅(qū)動機構(gòu) 有氣動,液動,電動和機械式四種形式 c 控制系統(tǒng) 有點動控制和連續(xù)控制兩種方式.大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點位程序控制,也有采用可編程序控制器控制,微型計算機數(shù)字控制,采用凸輪,磁盤磁帶,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. d 基體(機身) 基體是整個機械手的基礎(chǔ) 1.5工業(yè)機械手的技術(shù)發(fā)展方向 國內(nèi)外實際上使用的定位控制的機械手,沒有"視覺"和"觸覺"反饋.目前.世界各國正積極研制帶有"視覺"和"觸覺"的工業(yè)機械手,使它能對所抓取的工件進(jìn)行分辨,選取所需要的工件,并正確地夾持工件,進(jìn)而精確地在機器中定位,定向. 為使機械手有"眼睛"去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零件,它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息,通過計算機進(jìn)行圖形分辨,判別是否是所要抓取的工件.為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來,一般采用兩種方法:一是檢測把握物體手臂的變形,以決定適當(dāng)?shù)奈樟?另一種是直接檢測指部與物體的滑落位移,來修正握力. 因此這種機械手就具有以下幾個方面的性能 a 能準(zhǔn)確地抓住方位變化的物體 b 能判斷對象的重量 c 能自動閉開障礙物 d 抓空或抓力不足是能檢測出來 這種具有感知能力并能對感知的信息作出反應(yīng)的工業(yè)機械手稱為智能機械手,它是具有發(fā)展前途的. 現(xiàn)在,工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單復(fù)雜的操作方面節(jié)省人力,其效益是代替人從事繁重的工作和危險的工作,在惡劣環(huán)境下尤其明顯.至于在汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè) 部門,機械手的應(yīng)用情況決不能說是很好的.雖然這些工業(yè)部門工時不足的問題很尖銳,但采用機械手只限于一小部分工序.其原因之一是,工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求,適于機械手工作的范圍很小.另外經(jīng)濟(jì)性問題當(dāng)然也很重要,采用機械手來節(jié)約人力從經(jīng)濟(jì)上看不一定總是合算的,然而,利用機械手或類似機械設(shè)備節(jié)省和實現(xiàn)生產(chǎn)合理化的要求,今后還會增長. 1.6工業(yè)機械手的設(shè)計的內(nèi)容 a 擬訂整體方案,特別是傳感,控制方式與機械本體的有機結(jié)合的設(shè)計方案. b 根據(jù)給定的自由和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部,腕部,肩部和機身的結(jié)構(gòu). c 各部件的設(shè)計計算 d 工業(yè)機械手工作裝配圖的設(shè)計與繪圖 e 液壓系統(tǒng)圖的設(shè)計與繪圖 f 電氣控制的繪制 g 編寫設(shè)計計算說明書 第二章 手部的設(shè)計 2.1手部的功能、分類 機械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機械手的性能，是機械手的關(guān)鍵部件之一。由于被握持工件的形狀，尺寸大小，重量，材料性能，表面狀況等的不同，所以工業(yè)機械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計的。歸納起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。 夾持類常見的主要有夾鉗式，此外還有鉤托式和彈簧式。夾持類手部按其手指夾持工件時的運動方式，可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種。 吸附類可分有氣吸式和磁吸式。 2.2夾鉗式手部設(shè)計的基本要求 1．手指握力（ 夾緊力）大小要適當(dāng)。除工件的重力外，要能保證工件在傳送過程中不松動或脫落，還考慮轉(zhuǎn)送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性和振動，以保證工件夾鉗安全可靠； 2．夾持范圍要與工件相適應(yīng)。手爪的開閉角度(手爪張開或閉合時兩個極限位置所擺動的角度)應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍； 3．夾持精度要高。既要求工件在手爪內(nèi)有準(zhǔn)確的相對位置，又不夾壞工件表面。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu)：如圓柱形工件應(yīng)采用帶v形槽的手爪來定位；對于工件表面光潔度較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其他軟質(zhì)墊片等； 4．夾持動作要迅速、靈活； 5．要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。在保證本身剛度，強度的前提下，盡量可能使結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 6．應(yīng)考慮通用性和特殊要求。一般情況下，手部多是專用的，為了擴大它的使用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法。 2.3夾鉗式手部的計算與分析 2.3.1夾緊液壓缸的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對其大小，方向和作用點進(jìn)行分析，計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩）。以使工件保證可靠的夾緊狀態(tài)。 手指加在工件上的夾緊力可按下式計算: (2-1) 式中：——安全系數(shù),通常取1.2--2.0 ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響性力的影響. 可近似按下式估算 (2-2) 其中： a——運載工件時重力方向的最大上升加速度 g——重力加速度 a可按下式估算 (2-3) 式中: ——運載工件時重力方向的最大上升速度 ——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間；根據(jù)設(shè)計參考選取.一般取0.03—0.5s 設(shè)計中?。?.1 ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定 設(shè)計中粗略計算， G：被抓取工件所受重力． G=12× 9.8=117.6N 圖2-1 夾鉗式手抓形狀圖 假設(shè) 工件移動速度為0.5m/s，V型鉗口的角度2θ=120°,a=35mm, b=105mm,α=30°。取 =1.5， ==1.5 =4 那么夾緊力 驅(qū)動力 = = 4762.8 N 考慮手爪的機械效率取0.85 那么 2.3.2液壓缸直徑Ｄ的確定 表2-1 液壓缸壓力與載荷關(guān)系 載荷 KN <5 5--10 10--20 20--30 30--50 >50 工作壓力 MPa <0.8--1 1.5--2 2.5--3 3--4 4--5 >5 根據(jù)載荷選取工作壓力 P=1.5 Mpa 取 d=0.5D 根據(jù) 所以 = =0.049 m =49 mm 表2-2 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 根據(jù)表2-2 選取 內(nèi)徑 D=50 mm 所以 活塞桿直徑為 d=0.5D=25 mm 結(jié)合《機械設(shè)計手冊》第三十一章中關(guān)于液壓缸的基本安裝尺寸表31-25可得到液壓缸的個部分尺寸。 第三章 手臂的設(shè)計計算 手臂的設(shè)計通常是先進(jìn)行粗略的估算,或類比同類結(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,在進(jìn)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)，對臂部的要求主要有： 一．臂部應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕： 機械手中常用無縫鋼管作導(dǎo)向桿，用工字鋼或槽鋼作支撐板。這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重。 二．臂部運動速度要高、慣性要?。? 機械手的運動速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定的。確定了生產(chǎn)節(jié)拍和行程范圍，就確定了手臂的運行速度(或角速度)。在一般情況下，于臂的移動和回轉(zhuǎn)均要求勻速運動(V和ω為常數(shù))，但在手臂的起動和終止瞬間，運動是變化的。為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前的減速度不能太大，否則引起沖擊和振動。 3.1手臂作升降運動的液壓缸驅(qū)動力計算 根據(jù)液壓缸運動時所需要克服的摩擦、回油背壓及慣性等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需的驅(qū)動力。 3.1.1液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算 (3-1) 式中 ——摩擦阻力。 ——密封裝置處的摩擦阻力。 ——液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力。 ——啟動或者制動時，活塞桿所受的平均慣性。 G ——零部件及工件所受的總重力。 3.1.1.1 的計算 圖3-1 升降時的受力示意圖 如圖3-1所示，由圖可知，F(xiàn)1+F2= 而=2F1.f ,即， = .f (3-2) 其中為夾緊液壓缸的重量，可以從《機械設(shè)計手冊》中查取。 f取0.16，代入式(3-2)可求出 =187.60.16=30.02 N 3.1.1.2 的計算 = (3-3) 活塞與活塞桿處都采用“O”形密封圈，液壓缸密封處的總摩擦力為： (3-4) (3-5) 式中 F ——驅(qū)動力 P ——工作壓力（Pa） d ——伸縮油管的直徑(m) l ——密封的有效長度（m） 為了保證“O”形密封圈裝入密封溝槽，并與配合件接觸后起到嚴(yán)格的密封，在加工密封溝槽時考慮密封圈的預(yù)壓縮量 (3-6) K=0.08--0.14 (3-7) 設(shè)計時取K=0.1 初步擬訂=4mm d=5mm 那么 根據(jù)式(3-6)可求出 mm 又根據(jù)式(3-7)求出 =3.49mm 求出以上2個結(jié)果后，可根據(jù)式(3-5)求出 =0.03×1×1000000×3.14×0.05×0..349 =164.24 N 3.1.1.3 的計算 (3-8) 式中 ——參與運動的零部件所受的總重力（包括工件重量） g ——重力加速度，取9.81 ——由靜止加速到常速的變化量 ——起動過程時間。一般取0.01—0.5 s，對輕載低速運動部件取較小值，對重載取較大值 初步設(shè)計時取 =0.1 m/s 取較小值0.01 S N 那么 = N 3.1.1.4 的計算 一般背壓阻力較小，可按 =0.05F計算。 3.1.1.5驅(qū)動力的確定 根據(jù)以上分析，結(jié)合式(3-1)可知： =30.02+164.24+0.03F+81.224+0.05F+187.6 最后計算得：F=23154.2N 3.2 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 3.2.1液壓缸內(nèi)徑的計算 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔時： 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔時： 液壓缸的有效面積： 故有： （無桿腔） (3-9) （有桿腔） (3-10) 式中 F ——驅(qū)動力（N） ——液壓缸的工作壓力（pa） d ——活塞桿的直徑（m） D ——液壓缸的直徑（m） ——液壓缸的機械效率。 初步設(shè)計中取機械效率為0.95。代入已求得的F值 可得 D=0.1018m 根據(jù)表（2-2）可選取液壓缸直徑D=110mm 3.2.2液壓缸壁厚計算 3.2.2.1 中等壁厚： 即16＞＞3.2時 (3-11) 式中 P——液壓缸內(nèi)工作壓力 ——強度系數(shù)（當(dāng)為無縫鋼管時＝１） Ｃ——計入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標(biāo)準(zhǔn)壁厚值 Ｄ——液壓缸內(nèi)徑（m） 3.2.2.2 薄壁： 即16時 (3-12) 3.2.2.3厚壁： 即當(dāng)3.2時 (3-12) 式中 = ——材料抗拉強度 n——安全系數(shù)， n=3.5~5 一般常用缸體材料的許用應(yīng)力［］ 鍛綱［］=110~120MPa 鑄鐵［］=60MPa 無縫鋼管［］=100~110MPa 通過以上分析，考慮到承受的壓力，選用厚壁的計算公式，缸體材料選用無縫鋼管，因此［］=100~110Mpa 因此根據(jù)式(3-12)可計算出壁厚為 =0.0070m 3.3缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 缸蓋的受力為保證聯(lián)接的緊密性,必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距t，然后決定螺釘?shù)臄?shù)目.每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷和預(yù)緊力之和 =+ 式中 F ——驅(qū)動力（N） Z——螺釘數(shù)目 P——工作壓力（pa） ——預(yù)緊力 =K K=1.5~1.8 D——危險剖面直徑(m) 螺釘?shù)膹姸葪l件為 (3-13) 式中 ——計算載荷（N）; =1.3 抗拉許用應(yīng)力(MPa) n=1.2~2.5 ——螺紋內(nèi)徑 ——螺釘材料屈服極限（見表3-1） 表3-1 常用螺釘材料的屈服極限 鋼 號 10 Q215 Q235 35 45 40Cr （MPa) 210 220 240 320 360 650~900 9000 根據(jù)以上分析 取 k=1.5 n=1.5 螺釘數(shù)目Z=6 選擇剛的材料為Q235 =240 MPa 所以 = MPa =2512 N =K=1.52512=3768 N 所以根據(jù)式（3-13） m 第四章 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計計算 4.1 手臂回轉(zhuǎn)時所需要的驅(qū)動力矩 采用回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動時，其受力情況可簡化成圖4-1 驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩，應(yīng)該與手臂起動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦力矩相平衡。 （4-1） 式中 ——密封裝置處的摩擦力矩（N·M） （4-2） （4-3） 式中 ——回轉(zhuǎn)缸動片的角速度變化量（）， 在起動過程中= ——起動過程的時間 ——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為，則 （4-4） 式中 ——回轉(zhuǎn)零件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量 ——回轉(zhuǎn)缸回油腔的背壓反力矩 （4-5） 初定b=5 cm R=4 cm r=2cm =0.5 cm =0.2 所以 =0.025 mm =37.5 =1.8 =13.5 =1.8+13.5=15.3 工件轉(zhuǎn)動慣量： 根據(jù)圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量計算公式： (4-6) 平行軸定理： (4-7) 已知：m=12kg R=0.04m d=0.36m 代入上式（4-6）和式（4-7）可得： =0.0096 N·m =0.0096+12×0.1296 =1.5648 N·m 夾緊缸的轉(zhuǎn)動慣量： 根據(jù)空心圓柱轉(zhuǎn)動慣量計算公式： (4-8) 已知：m=6.76kg R=0.04m r=0.02m d=0.41m 代入式(4-8)和（4-7）可得： =0.00676 N·m =0.0076+1.681 =1.6886 N·m 由以上分析可得手臂包括工件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 =1.5648+1.6886 =2.7342 N·m 根據(jù)式(4-3) 取=0.1 =0.5 可得 =0.6507 N.m 又根據(jù)式（4-1） =0.6507+15.3+37.5 =53.4507 N·m 4.2回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D的計算 回轉(zhuǎn)液壓缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩 （4-9） 根據(jù) （4-10） 式中 D ——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑（m） ——作用在動片的外載荷力矩(N·m) P ——回轉(zhuǎn)缸工作壓力（pa） d ——輸出軸與共片聯(lián)接處的直徑（m） 初步設(shè)計時按=1.5—2.5選取 b ——動片寬度（m） 為減少動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇選 片寬度（及液壓缸寬度）時，可選用 D ——回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑（m） 根據(jù)以上分析以及式（4-10）可得 = =0.1684m 根據(jù)表2-2 選取 內(nèi)徑 D=190mm 4.3缸蓋聯(lián)接螺釘和動片聯(lián)接螺釘計算 4.3.1缸蓋聯(lián)接螺釘計算 缸蓋與回轉(zhuǎn)缸的缸體用螺釘聯(lián)接，其螺釘除了應(yīng)具有足夠的強度外還要保證聯(lián)接的緊密性，同時在缸蓋所受的合成液壓力的作用下，聯(lián)接一定要有足夠的剩余預(yù)緊力，以免形成間隙造成漏油。 每個螺釘在危險截面（螺紋根部橫截面）上承受的拉力FQ0是工件載荷FQ與剩余預(yù)緊力FQS之和。 即 式中 （取） 故 P——缸蓋所受的合成液壓力； z——螺釘數(shù)目； D0——螺釘中心所在圓直徑； P1——油缸內(nèi)油液工作壓力； t1——螺釘間距，當(dāng)工作壓力在5~15時，t1＜150 mm，取。 又 對z值進(jìn)行圓整，取 根據(jù)螺釘?shù)膹姸葪l件有： ≤ 由該公式推導(dǎo)出： ≥ 其中= n為安全系數(shù)，一般，取。 選用螺釘材料為45鋼， 則 ≥ 按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，取。 4.3.2動片與輸出軸聯(lián)接螺釘計算 動片與輸出軸用螺釘聯(lián)接，聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱的安裝，并用兩個銷釘定位。聯(lián)接螺釘?shù)淖饔檬牵菏箘悠c輸出軸的配合面緊密接觸不留間隙，當(dāng)油腔通高壓油時，動片受油壓作用，產(chǎn)生一個合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。 根據(jù)動片所受力矩的平衡條件，有： 即： （4-11） 式中 ——每個螺釘?shù)念A(yù)緊力； b——動片的寬度； p——回轉(zhuǎn)缸的工作壓力； D——動片外徑； d——動片與輸出軸配合處直徑； Z——螺釘數(shù)目； f——被聯(lián)接件配合面的摩擦系數(shù)，鋼對鋼取。 螺釘?shù)膹姸葪l件： ≤ 故 ≥ （4-12） 其中，d1為螺釘直徑； 為螺釘材料的許用應(yīng)力。 選用螺釘材料為45鋼，取螺釘數(shù)目Z=4，安全系數(shù)n取1.5，工作壓力P=1.0Mpa 所以 綜上，根據(jù)式 （4-11）和（4-12）可得螺釘?shù)牡讖? ≥ 依據(jù)國標(biāo)取螺釘直徑為。 4.3.3 花鍵軸的設(shè)計校核 4.3.3.1 軸的尺寸估算 由《機械零件課程設(shè)計》表選取軸的材料為45鋼調(diào)質(zhì)，其力學(xué)性能如下： 受轉(zhuǎn)矩T的實心圓軸，其切應(yīng)力： 寫成軸的設(shè)計公式，軸的最小直徑： mm 式中：——軸的抗截面系數(shù)， ； P——軸傳遞的功率，kW； ——軸的轉(zhuǎn)速，； ——許用切應(yīng)力， ； C——與軸材料有關(guān)的系數(shù)，可由下表查得； 對與受彎矩較大的軸宜取較小的值。當(dāng)軸上有鍵槽時，應(yīng)適當(dāng)增大軸徑；單鍵增大3％，雙鍵增大7％。 表4-10 軸強度計算公式中的系數(shù)C 軸的材料 Q235,20 Q235,Q275,35 45 , 12 15 20 25 30 35 40 45 52 C 160 148 135 125 118 112 106 102 98 根據(jù)所選的材料45鋼，查表可得，?；ㄦI軸的最高轉(zhuǎn)速 軸所傳遞的功率由公式： =0.44 軸的初步估算： 為了滿足回轉(zhuǎn)缸的輸出軸與花鍵軸的配合，因此該軸的軸徑不能太小，參照矩形花鍵尺寸、公差（GB 1144—87），選取花鍵軸的規(guī)格為。 4.3.6.2 花鍵軸的校核 由于花鍵軸與回轉(zhuǎn)缸配合，在旋轉(zhuǎn)時花鍵軸上受到扭矩作用。 則輸出的轉(zhuǎn)矩為： 式中 b——動片寬度； R——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑； p1——進(jìn)油口壓力； ——機械效率，取=0.96； p2——出油口壓力，取p2=0.3MPa。 故： 由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力應(yīng)不超過許用彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力的計算公式： ≤ ——回轉(zhuǎn)缸扭轉(zhuǎn)時的當(dāng)量彎矩； ——花鍵軸截面的抗彎截面系數(shù)。 式中 花鍵軸規(guī)格： （mm） 又 ——回轉(zhuǎn)缸產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩； ——根據(jù)轉(zhuǎn)矩性質(zhì)而定的應(yīng)力校正系數(shù)。 對于不變的轉(zhuǎn)矩，??；對于脈動的轉(zhuǎn)矩，?。粚τ趯ΨQ循環(huán)的轉(zhuǎn)矩，取。假定回轉(zhuǎn)缸轉(zhuǎn)矩不變，選擇花鍵軸的材料為45鋼。通過查《機械設(shè)計手冊》可得材料的相關(guān)力學(xué)性能，，，。所以 又， ＜ 因此花鍵軸的強度滿足要求。但是花鍵軸也受到扭矩作用且在花鍵最小截面上產(chǎn)生最大剪應(yīng)力： ≤ 其中 ——抗扭系數(shù) = 那么 ＜= 從計算結(jié)果看來花鍵軸的剪切應(yīng)力滿足設(shè)計要求。 4.3.4 升降液壓缸和回轉(zhuǎn)缸的軸承選擇 升降液壓缸主要用于機械手對待下料物體的抓取，即實現(xiàn)直線往復(fù)運動，該動作所受的載荷主要來源與機械手自身和物體的重力，載荷較小?；剞D(zhuǎn)缸用于使機械手回轉(zhuǎn)180°,從而實現(xiàn)將物體下料，實現(xiàn)的是旋轉(zhuǎn)運動，旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生慣性力矩，所受載荷比升降缸要大。為了保證機械手運動位置精度，根據(jù)軸承的性能及特點，選擇能同時承受徑向力和軸向力的圓錐滾子軸承、角接觸球軸承。軸承的型號根據(jù)花鍵軸軸徑的大小選擇與之配合的軸承。 第五章 驅(qū)動系統(tǒng) 5.1機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 5.1.1各類驅(qū)動系統(tǒng)的特點 工業(yè)機械手的驅(qū)動系統(tǒng),按動力源分為液壓,氣動和電動三大類.根據(jù)需要也可由這三種基本類型組成復(fù)合式的驅(qū)動系統(tǒng)。 a液壓驅(qū)動系統(tǒng) 由于液壓技術(shù)是一種比較成熟的技術(shù),它具有動力大,力(或力矩)慣量比大,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。 b氣動驅(qū)動系統(tǒng) 具有速度快,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,維修方便,價格低等特點,適用于中,小負(fù)載的系統(tǒng)中，但難于實現(xiàn)伺服控制,多用于程序控制的機械手中。如在上,下料和沖壓機械手中應(yīng)用較多。 c電動驅(qū)動系統(tǒng) 由于低慣量,大轉(zhuǎn)矩的交,直流伺服電機及配套的伺服驅(qū)動器(交流變頻器,支流脈沖調(diào)制器)的廣泛采用,這類驅(qū)動系統(tǒng)在機械手中被大量選用。 5.1.2工業(yè)機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇原則 設(shè)計機械手時,選擇哪一類驅(qū)動系統(tǒng),要根據(jù)機械手的用途,作業(yè)要求,機械手的性能,規(guī)范,控制功能,維護(hù)的復(fù)雜程度,運行的功耗,性能與價格比以及現(xiàn)有的條件等綜合因素加以考慮。在注意各類驅(qū)動系統(tǒng)特點的基礎(chǔ)上,綜合上述各因數(shù),充分論證其合理性,可行性,經(jīng)濟(jì)性及可靠性后進(jìn)行最終的選擇。 一般情況下機械手驅(qū)動系統(tǒng)的選擇大致按如下原則: 1． 物料搬運(包括上，下料）用有限點位控制的程序控制機械手，重負(fù)載的可選用液壓驅(qū)動系統(tǒng)，中等負(fù)載的可選用電動驅(qū)動系統(tǒng)，中等負(fù)載的選用電動驅(qū)動系統(tǒng)，輕負(fù)載的可選用氣動驅(qū)動系統(tǒng)。沖壓機械手用氣動系統(tǒng)。 2． 用于點焊和弧焊及噴涂作業(yè)的機械手，要求具有任意電位和軌跡控制功能，需采用伺服驅(qū)動系統(tǒng)。只有采用液壓或電動驅(qū)動系統(tǒng)才能滿足要求。 5.2 液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自60年代初到現(xiàn)在，已在機械手中獲得廣泛應(yīng)用．液壓系統(tǒng)在機械手中所起的作用是通過電－液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進(jìn)行功率放大，對液壓動力機構(gòu)進(jìn)行方向，位置和速度的控制，進(jìn)而控制機械的手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動液壓缸．用于實現(xiàn)手臂的伸縮升降以及手腕，手臂的回轉(zhuǎn)。 5.2.1液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 5.2.1.1各液壓缸的換向回路 為便于機械手的自動控制，如采用可編程序控制器或微機進(jìn)行控制，系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般都選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經(jīng)濟(jì)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，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，換向閥需采用中位“O”型換向閥。 5.2.1.2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速度工作，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸運行的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進(jìn)油路或回油路節(jié)流調(diào)速，因為系統(tǒng)為中底系統(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)流閥調(diào)速時，則進(jìn)油達(dá)到最大允許速度來調(diào)節(jié)。當(dāng)無桿腔進(jìn)油時，其速度就少于最大允許速度，但仍然符合設(shè)計需求。 在一般情況下，機械手的各個部位是分別動作的，手腕回轉(zhuǎn)缸和手臂回轉(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差較大，這樣不但可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可選擇雙泵供油系統(tǒng)。 單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。優(yōu)點是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經(jīng)濟(jì)性好，缺點是當(dāng)所需流量較少的液壓缸（如手腕回轉(zhuǎn)缸，夾緊缸等）動作時，系統(tǒng)的溢流損失較大，能源利用率低.對于系統(tǒng)功率較小的場合是可取的。 雙泵供油系統(tǒng),它在需要大流量動作的缸運動時,雙泵同時為其供油,在需小流量動作液壓缸運動時,則用小流量泵供油,而大流量泵低壓卸荷。雙泵供油系統(tǒng)避免了溢流損失過大,而且可以用雙聯(lián)泵代替雙泵,其優(yōu)缺點與單泵供油系統(tǒng)相反。 5.2.1.3減速緩沖回路 通用工業(yè)機械手要求可變行程,它是由微機控制,可在行程中任意點定位,故應(yīng)在液壓系統(tǒng)中采用緩沖裝置,形成緩沖回路。當(dāng)液壓缸運動快到希望點時,由位置檢測檢測裝置(電位器)發(fā)訊號給微機,然后微機控制電磁鐵通電切斷二位二通閥的通路,液壓缸的回路改經(jīng)節(jié)流閥回油箱,增大了回油路的阻力,使液壓缸速度減慢,防止沖擊達(dá)到緩沖目的,這種回路也適用于擺動缸。也可以在油路中設(shè)置單向行程節(jié)化程度和通用性方面不如上述方案。 5.2.1.4系統(tǒng)安全可靠性 手臂俯仰缸（或手臂升降缸）在系統(tǒng)失壓情況下會自由下落或超速下行，所以應(yīng)在回路中增加平衡回路，方法可用單向順序閥做平衡閥。手臂伸縮缸有俯仰狀態(tài)時，亦應(yīng)同樣考慮。夾緊缸在夾緊工件時，為防止失電等意外情況，應(yīng)加鎖緊保壓回路。為防止夾緊缸壓力受系統(tǒng)壓力波動的影響或過高，導(dǎo)致夾緊力過大損壞工件，或過低無法夾緊工件，造成意外的安全事故，需在油路上增加減壓閥保證夾緊缸的壓力恒定不變。 5.2.1.5液壓系統(tǒng)的合成和完善 在上述主要液壓回路選好后，在配上其他功用的輔助油路（如卸荷，測壓等油路），就可以進(jìn)行合并，完善為整體的液壓系統(tǒng)，并編制液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表。 5.2計算和選擇液壓元件 5.2.1液壓泵 5.2.1.1 計算液壓泵的工作壓力 泵的工作壓力是所有液壓缸中工作壓力最大者與泵至該液壓缸的全部壓力損失之和即： （5-1） 式中 ——管道和各閥的全部壓力損失之和 5.2.1.2 計算液壓泵的流量 式中 ——所有液壓缸中所需流量最大的流量 ——泄漏折算系數(shù)，一般＝1.1~1.3 5.2.1.3選擇液壓缸的規(guī)格 參考設(shè)計手冊或產(chǎn)品樣本，選取其額定壓力比高20%~60%，其流量與上述計算一致的液壓泵。 5.2.1.4 計算功率,選用電動機 按工況圖找出所有缸N-t圖最高功率點的對應(yīng)的（計算值）和泵的額定流量的乘積，然后除以泵的總效率 (5-2) 5.2.2選擇液壓控制閥 按控制閥的額定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量的原則來選用系統(tǒng)的各類液壓閥。 5.2.3選擇液壓輔助元件 a 濾油器 按泵的最大流量選取流量大些的濾油器 b 油管和管接頭 油管和管接頭的通徑按與閥一致來選取 c 油箱體積 油箱容量與系統(tǒng)的流量有關(guān)，其容量的大小可從散熱角度來設(shè)計．計算出系統(tǒng)發(fā)熱量與散熱量，在考慮冷卻散熱后，從熱平衡角度計算出油箱容箱。一般 式中 ——液壓泵的額定流量 ——油箱的有效容積 ——與系統(tǒng)壓力有關(guān)的經(jīng)驗數(shù)字 5.2.4擬定液壓系統(tǒng) 5.2.4.1換向回路 夾緊缸換向選用二位二通電磁閥，其它缸全部選用O型三位四通電磁換向閥．選電磁閥便于微機控制，選中位為O型使定位準(zhǔn)確．如圖5-1 圖5-1換向回路 5.2.4.2 調(diào)速方案 本系統(tǒng)功率較小，故選簡單的進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速．同樣理由選用單泵供油，力求獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。如圖5-2 圖5-2 進(jìn)油節(jié)流調(diào)速方案 5.2.4.3 系統(tǒng)的安全可靠性 為防止伸縮缸在俯仰一定角度后自由下滑，都采用單向順序閥來平衡，如圖5-3 圖5-3 液壓防滑保護(hù)回路 為保證夾緊缸夾持工作的可靠性選用液控單向閥保壓和鎖緊，如圖5-4 圖5-4 夾緊缸保壓回路 5.2.4.4 合成并完善液壓系統(tǒng) 合成后的液壓系統(tǒng)圖如圖5-5壓力繼電器在夾緊工件后發(fā)訊，讓微機控制其他缸開始動作。二位二通電磁換向閥用于系統(tǒng)卸荷。 圖5-5 液壓系統(tǒng)圖 根據(jù)動作要求編制液壓動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表，如表所示 表5-1 電磁鐵的動作順序表 ２．選擇液壓控制閥和輔助元件 根據(jù)工況圖中選元件額定流量，根據(jù)選元件的額定壓力如表所示 第六章 電氣控制系統(tǒng) 6.1 電氣控制系統(tǒng)簡介 工業(yè)機械手的電氣控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機械手的動作，并協(xié)調(diào)機械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機械手的工作順序，應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動，伸縮，回轉(zhuǎn)及擺動，手指的開閉動作，以及各個動作的時間，速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運動部件沿各坐標(biāo)軸的動作按照預(yù)先整定好的程序來實現(xiàn)的。 一般機械設(shè)備的控制系統(tǒng)，多著眼于自身運動的控制，而機械手的控制系統(tǒng)更注意本部與操作對象的關(guān)系。因此，對于機械手的控制系統(tǒng)來說，無論多么高級的系統(tǒng)，如果不能控置，都是毫無意義的。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)兩種．閉環(huán)控制系統(tǒng)也叫反饋控制系統(tǒng)，是一種不斷把給定值和各控制量進(jìn)行比較，使其偏差為零的控制系統(tǒng)。而開環(huán)控制系統(tǒng)，即使有局部的小的閉環(huán)存在，但主要控制量是不用反饋控制的。對比兩者，通常閉環(huán)系統(tǒng)的抵抗外部干擾和系統(tǒng)中主要單元的特性變化和能力強，而開環(huán)系統(tǒng)較弱。 機械手的閉環(huán)系統(tǒng)控制受各種因素的影響，如外部負(fù)荷力，活動部分的內(nèi)部摩擦，伺服閥的漂移，滯后，比較儀，伺服放大器的漂移，隨動系統(tǒng)的粘滯性摩擦，反向電動勢的影響等導(dǎo)致閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生靜態(tài)誤差。因而閉環(huán)控制的精度和定位時間等控制性能也有一定限度，要超過閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制性能的界限必須采用由最佳控制理論所規(guī)定的控制結(jié)構(gòu)，其中有時采用開環(huán)控制。因此要提高機械手的性能，應(yīng)不局限于開環(huán)或閉環(huán)的系統(tǒng)而吸收兩者之長。 運動控制方式有點位控制和連續(xù)控制兩種。點位控制方式就是由點到點的控制方式，只對機械手運動部件（手腕、臂）所應(yīng)到達(dá)空間點的定位進(jìn)行控制，而對兩個定位點之間的運動軌跡則不加控制。這種方式可達(dá)到較高的重復(fù)定位精度。點位控制又分為兩點控制和多點控制兩種。如果機械手抓取和放置工件的位置都是準(zhǔn)確而固定的，如上下料專用機械手，可由擋塊，行程