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西安文理學(xué)院機(jī)械電子工程系 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目 連桿裝箱機(jī)械手設(shè)計(jì) 專業(yè)班級(jí) 機(jī)電08級(jí)二班 學(xué) 號(hào) 08102080223 學(xué)生姓名 陳 凡 指導(dǎo)教師 姚慧 設(shè)計(jì)所在單位 西安文理學(xué)院 2012年5月 連桿裝箱機(jī)械手的機(jī)械設(shè)計(jì) 摘要： 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。主要敘述了機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程。本文比較全面地討論了工業(yè)機(jī)械手的手部和腕部、手臂伸縮機(jī)構(gòu)以及上升和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并在最后做了一些液壓控制方面的設(shè)計(jì)，繪制了液壓系統(tǒng)圖等。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，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù) 關(guān)鍵字：機(jī)械手;氣動(dòng);自由度； Connecting rod loading manipulator design Abstract: Industrial robot is developed in recent decades as a high-tech automated production equipment. Industrial robot manipulator is an important branch of industry. Mainly describes the design of the mechanical hand calculation. This more comprehensive discussion of the industrial robot hand and wrist, arm stretching up and rotating bodies and agencies and other major components of the structural design. . Modern automatic control of industrial robots is a new emerging field of technology, and has become a modern mechanism in the production system is an important part, this new technology has developed rapidly, and gradually become a new subject - Mechanical hand . Manipulator involves mechanics, mechanics, electric and hydraulic technology, automatic control technology, sensor technology and computer technology fields of science, is a cross-disciplinary technology. Keywords: manipulator，pneumatic，freedom 西安文理學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目 錄 第一章 緒論 1 1.1機(jī)械手的基本概念 1 1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 1 1.3機(jī)械手特點(diǎn)、研究意義 2 1.3.1 機(jī)械手的特點(diǎn) 2 1.3.2機(jī)械手的研究意義 2 1.4機(jī)械手的組成 3 1.4.1機(jī)械手的組成 3 1.5設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義 3 第二章 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的確定 4 2.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度 4 2.2 工作空間的確定 4 2.3額定負(fù)載的確定 4 2.4機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式的確定 4 2.5運(yùn)動(dòng)速度 5 2.6 定位精度 6 2.7 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 6 2.8機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 8 3.1.1手指的形狀和分類 8 3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 8 3.1.3手部夾緊氣缸設(shè)計(jì) 9 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 4.1 手腕的自由度 14 4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 14 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 16 4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸 16 第五章 手臂伸縮，升降，尺寸設(shè)計(jì)與校核 17 5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 17 5.2縱向氣缸的設(shè)計(jì) 18 5.3導(dǎo)向裝置 21 5.4 平衡裝置 21 第六章 總結(jié) 22 第七章 致謝 23 參考文獻(xiàn) 24 第25頁(yè) 第一章 緒論 1.1機(jī)械手的基本概念 機(jī)械手，屬工業(yè)機(jī)器人的范疇，機(jī)器人學(xué)是近幾十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一門綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，體現(xiàn)了光機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國(guó)科技界跟蹤國(guó)際高技術(shù)發(fā)展的重要課題。 “機(jī)械手”（manipulator）：多數(shù)指附屬于主機(jī)、程序固定的自動(dòng)抓取、操作裝置（國(guó)內(nèi)一般稱作機(jī)械手或?qū)Ｓ脵C(jī)械手）。 一個(gè)完整的氣壓系統(tǒng)是由以下幾部分組成的： (1)能源部分。包括泵裝置和蓄能器，它們能夠輸出氣體，把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w壓力能，并儲(chǔ)存起來(lái)。 (2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分。是氣缸、氣動(dòng)機(jī)等，它們用來(lái)帶動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件，將氣體壓力能轉(zhuǎn)變成使部件運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。 (3)控制部分。是各種液壓閥，用于控制流體的壓力、流量和流動(dòng)方向，從而控制執(zhí)行部件的作用力、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，也可以用來(lái)卸載，實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)等。 (4)輔助部分。是系統(tǒng)中除了上述三部分以外的所有其他元件，如油箱、壓力表、管路等。 液壓系統(tǒng)中機(jī)械手主要實(shí)現(xiàn)的輔助功能： (1)機(jī)械手的伸、縮、回轉(zhuǎn)和工件的松開和拉緊動(dòng)作等。 (2)工件的自動(dòng)松開、夾緊。 (3)工作臺(tái)的松開夾緊、交換工作臺(tái)的自動(dòng)交換動(dòng)作。 (4)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)部件平衡。如機(jī)械手軸箱的重力平衡、機(jī)械手的平衡裝置等。 (5)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)和離合器的控制、齒輪撥又換擋等。 (6)機(jī)械手的自動(dòng)開關(guān)。 液壓系統(tǒng)在機(jī)械手中所起的作用是通過(guò)電一氣轉(zhuǎn)換元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)氣壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)械手的手臂按給定運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。氣壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線氣壓缸或擺動(dòng)氣壓缸，用于實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮、升降以及手腕的回轉(zhuǎn)。 1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r 專用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。通用機(jī)械手可以應(yīng)用于更加多的場(chǎng)合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計(jì)的成本。由于通用機(jī)械手的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。通用機(jī)械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無(wú)線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一技術(shù)都很重視。幾十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。雖然在這方面相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家還有點(diǎn)落后，但是國(guó)內(nèi)現(xiàn)在也越來(lái)越感覺(jué)到機(jī)械手的重要性，國(guó)家大力支持相關(guān)的設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的開發(fā)。在機(jī)器人的發(fā)展以及機(jī)械手的設(shè)計(jì)上也取得了一定的成果，國(guó)內(nèi)每年都將舉行機(jī)器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作。 目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)是： (1)研制有更多自由度的液壓機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動(dòng)作。 (2)研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作地點(diǎn)。 (3)研制維修維護(hù)方便的通用機(jī)械手。 (4)研制能自動(dòng)編制和自動(dòng)改變程序的通用機(jī)械手。 (5)研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并配有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚(yáng)聲器作為嘴能說(shuō)話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺(jué)和感觸。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊語(yǔ)言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。 (6)機(jī)械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動(dòng)作。 (7)研制具有柔性系統(tǒng)的通用機(jī)械手 目前，在國(guó)外廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式通用機(jī)械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動(dòng)一次，而后機(jī)械手可以按領(lǐng)動(dòng)的工作內(nèi)容正確進(jìn)行再現(xiàn)動(dòng)作。如果把這種再現(xiàn)式通用機(jī)械手稱為第二代機(jī)械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機(jī)械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機(jī)械手正在朝著一種可以存儲(chǔ)大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機(jī)械手具有比原來(lái)的更多的自由度?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)具有越來(lái)越強(qiáng)的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來(lái)，我國(guó)一定能夠趕上并將且超越發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)械手乃至整個(gè)機(jī)械方面處于領(lǐng)先地位。 1.3機(jī)械手特點(diǎn)、研究意義 1.3.1 機(jī)械手的特點(diǎn) (1)通用性 機(jī)器人的通用性指具有執(zhí)行不同功能和完成多樣簡(jiǎn)單任務(wù)的實(shí)際能力；通用性也意味著，機(jī)器人是可變的幾何結(jié)構(gòu)。或者說(shuō)在機(jī)械結(jié)構(gòu)上允許機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一工作。 (2)適應(yīng)性 機(jī)器人的適應(yīng)性是指具有對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力，及機(jī)器人能夠自主執(zhí)行實(shí)現(xiàn)經(jīng)規(guī)劃的中間任務(wù)，而不管執(zhí)行過(guò)程中所發(fā)生的沒(méi)有預(yù)計(jì)到的環(huán)境變化。 1.3.2機(jī)械手的研究意義 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在機(jī)械工業(yè)中，大量應(yīng)用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機(jī)械加工以及裝配等工種。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工種中也均有應(yīng)用。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： (1)可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度。 (2)應(yīng)用機(jī)械手有利于在自動(dòng)生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。 (3)可以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故。 應(yīng)用機(jī)械手在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質(zhì)的環(huán)境場(chǎng)合可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。 (4)可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行作業(yè)，這是直接減少人力的一個(gè)重要方面。 (5)運(yùn)用機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)，而大大提高在生產(chǎn)線的工作的時(shí)間，從而能大幅提高勞動(dòng)的生產(chǎn)率。 綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。 1.4機(jī)械手的組成 1.4.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。 控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 位置檢測(cè)裝置 圖1-1 機(jī)械手的組成示意圖 1.5設(shè)計(jì)任務(wù)介紹及意義 通過(guò)課程設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，提高分析和解決問(wèn)題能的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設(shè)計(jì)是建立在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)方向課的基礎(chǔ)的，是學(xué)生根據(jù)所學(xué)課程進(jìn)行的工程基本訓(xùn)練，課程設(shè)計(jì)的意義在于： (1)培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行機(jī)電控制系統(tǒng)（產(chǎn)品）的初步設(shè)計(jì)工作，并結(jié)合設(shè)計(jì)或試驗(yàn)研究課題進(jìn)一步鞏固和擴(kuò)大知 識(shí)領(lǐng)域。 (2)培養(yǎng)學(xué)生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運(yùn)用各種標(biāo)準(zhǔn)和工具書籍以及編寫技術(shù)文件的能力，提高計(jì)算、繪圖等基本技能。 (3)培養(yǎng)學(xué)生掌握機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一般程序方法，進(jìn)行工程師基本素質(zhì)的訓(xùn)練。 (4)樹立正確的設(shè)計(jì)思想及嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)。 第二章 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的確定 2.1 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度 物體上任何一點(diǎn)都與坐標(biāo)軸的正交集合有關(guān)。物體能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物體運(yùn)動(dòng)所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù)，三維空間需要6個(gè)自由度。物體所能進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)有沿著坐標(biāo)軸的三個(gè)平移自由度和繞坐標(biāo)軸的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。 一般固定程序的機(jī)械手，動(dòng)作比較簡(jiǎn)單，自由度數(shù)較少。工業(yè)機(jī)器人自由度數(shù)較多，動(dòng)作靈活性和通用性較大。一般說(shuō)來(lái)，機(jī)器人靠近機(jī)座的3個(gè)自由度是用來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂末端的空間位置的，再用幾個(gè)自由度來(lái)定出末端執(zhí)行器的方位；7個(gè)以上的自由度是冗余自由度，是用來(lái)躲避障礙物的。 自由度的選擇也與生產(chǎn)要求有關(guān)，若批量大，操作可靠性要求高，運(yùn)行速度快，周圍設(shè)備構(gòu)成比較復(fù)雜，工件質(zhì)量輕時(shí)，機(jī)械手的自由度數(shù)可少；如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，則機(jī)械手的自由度要多一些。 計(jì)算機(jī)械手的自由度時(shí)，末端執(zhí)行器的夾持器動(dòng)作是不計(jì)入的，因?yàn)檫@個(gè)動(dòng)作不改變工件的位置和姿態(tài)。在滿足機(jī)械手工作要求前提下，為簡(jiǎn)化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制，應(yīng)使自由度數(shù)最少。 本設(shè)計(jì)的通用機(jī)械手的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，自由度選擇為四個(gè)。分別為大臂回轉(zhuǎn)、大臂升降、小臂回轉(zhuǎn)和小臂伸縮。分別由大臂回轉(zhuǎn)油缸、大臂升降油缸、小臂回轉(zhuǎn)油缸和小臂伸縮油缸控制。 2.2 工作空間的確定 工作空間是指機(jī)械手正常工作時(shí)，手腕參考點(diǎn)在空間活動(dòng)的最大范圍，依據(jù)機(jī)械手工作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡確定。工作空間大小不僅與機(jī)器人各桿件尺寸有關(guān)，而且也與它的總體構(gòu)形有關(guān)。在工作空間內(nèi)要考慮桿件自身的干涉，防止與作業(yè)環(huán)境發(fā)生碰撞。此外在工作空間內(nèi)某些位置，機(jī)械手不可能達(dá)到預(yù)定的速度，甚至不能在某些方向上運(yùn)動(dòng)，即所謂工作空間的奇異性。 本機(jī)械手的工作空間要求為：手臂伸縮行程范圍0~500mm，手臂升降行程范圍最大0～300mm，手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0o~240o。 2.3額定負(fù)載的確定 承載能力說(shuō)明機(jī)械手搬運(yùn)重物的能力，負(fù)載大小主要考慮機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)軸上的受力和力矩，末端執(zhí)行器的重量，抓取工件的重量，以及由運(yùn)動(dòng)速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。 本設(shè)計(jì)要求能夾持重量為100N的物體，考慮末端執(zhí)行器的重量及各運(yùn)動(dòng)軸上的受力和力矩，以及考慮足夠的安全系數(shù)，初步確定設(shè)計(jì)負(fù)載為1500N。 2.4機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式的確定 本畢業(yè)設(shè)計(jì)是通用機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有以下幾種: 表2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表【7】 結(jié)構(gòu)形式方案 特點(diǎn) 優(yōu)缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 1直角坐標(biāo)型 作機(jī)的手臂具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置 結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為簡(jiǎn)單，但其占空間較大，且運(yùn)動(dòng)軌跡單一，使用過(guò)程中效率較低 2圓柱坐標(biāo)型 操作機(jī)的手臂至少有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)剛度較好，運(yùn)動(dòng)所需功率較小，控制難度較小，但運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單，使用過(guò)程中效率不高 3球坐標(biāo)型 操作機(jī)的手臂具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定難度，且機(jī)械手臂的剛度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜 4關(guān)節(jié)型 操作機(jī)的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動(dòng)作，具有三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大，機(jī)械手臂的剛度差 2.5運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)速度是其主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)之一。它反映了機(jī)器人手臂的作業(yè)水平，運(yùn)動(dòng)速度的快慢與它的驅(qū)動(dòng)方式、定位方式、抓去質(zhì)量大小和行程距離有關(guān)，作業(yè)機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)過(guò)程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來(lái)確定。 目前，工業(yè)機(jī)器人的最大直線運(yùn)行速度大部分為1000mm/s左右；最大回轉(zhuǎn)速度110o/s左右。在本次設(shè)計(jì)中選定手臂伸縮速度500 mm /s，手臂升降速度300mm/s，手臂回轉(zhuǎn)速度90o／s，手腕回轉(zhuǎn)速度180o/s，驅(qū)動(dòng)方式為電-液伺服系統(tǒng)。 作為機(jī)器人規(guī)格參數(shù)的運(yùn)動(dòng)速度是指全程的平均速度，實(shí)際使用速度可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 2.6 定位精度 定位精度是衡量機(jī)器人工作質(zhì)量的又一項(xiàng)重要指標(biāo)，一般所說(shuō)的定位精度是指重復(fù)精度，與抓取質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)速度、定-位方式等也有密切關(guān)系。目前，專用機(jī)械手采用固定擋塊定定位精度取決于位置控制方式及機(jī)器人本體部件的結(jié)構(gòu)剛度與精度位方式可達(dá)到較高的定位精度（大約為mm），采用行程開關(guān)、電位計(jì)等電器元件控制的位置精度相對(duì)較低，大約為mm。伺服控制系統(tǒng)的機(jī)器人是一種位置跟蹤系統(tǒng)，即使在高速重載的情況下，也可不發(fā)生劇烈的沖擊和振動(dòng)，因此可獲得較高的定位精度，重復(fù)定位精度最高可達(dá)到0.01mm。 2.7 機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 1、抓重：10公斤 2、自由度數(shù)：4個(gè)自由度 3、座標(biāo)型式：圓柱座標(biāo) 4、最大工作半徑：1500mm 5、手臂最大中心高：1380mm 6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：縮行程600mm，伸縮速度500mm/s，升降行程200mm， 升降速度300mm/s，回轉(zhuǎn)范圍00 -2400，轉(zhuǎn)速度900/s 7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：回轉(zhuǎn)范圍 00--1800，轉(zhuǎn)速度1800/s 8、手指夾持范圍：片料:面積不大于0. 5㎡ 9、定位精度：士0. 5mm 10、緩沖方式：液壓緩沖器 11、傳動(dòng)方式：氣壓傳動(dòng) 2.8機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì)氣缸結(jié)構(gòu)的要求一是重量盡量輕，以達(dá)到動(dòng)作靈活、運(yùn)動(dòng)速度高、節(jié)約材料和動(dòng)力，同時(shí)減少運(yùn)動(dòng)的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運(yùn)動(dòng)精度和定位精度 圖2-1氣缸設(shè)計(jì)流程圖 單活塞桿氣缸是各類氣缸中應(yīng)用最廣的一種氣缸。由于它只在活塞的一端有活塞桿，活塞兩側(cè)承受氣壓作用 的面積不等，因而活塞桿伸出時(shí)的推力大于退回時(shí)的拉力。雙活塞桿氣缸活塞兩側(cè)都有活塞桿，兩側(cè)受氣壓作用的面積相等， 活塞桿伸出時(shí)的推力和退回時(shí)的拉力相等。 單作用氣缸是由一側(cè)氣口供給氣壓驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)，依靠彈簧力、外力或自重等作用返回；而雙作用氣缸是由兩側(cè)供氣口交替供給氣壓使活塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 第三章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 為了使機(jī)械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部。如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)或電磁式吸盤結(jié)構(gòu)。手爪是機(jī)械手直接用下抓取和握緊(或吸附)工件夾持專用工具(如噴槍。扳子、焊接工具)進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端，所示為齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)。其手指夾緊工件是由夾緊氣缸中的齒條活塞桿在壓縮空氣作用下右移，經(jīng)齒條推動(dòng)齒輪并帶動(dòng)扇形齒輪回轉(zhuǎn)，因手指與扇形齒輪固結(jié)為一體，所以兩個(gè)手指同時(shí)回轉(zhuǎn)而夾緊工件。由于采用單向作用油缸，故靠彈簧復(fù)位，使手指張開。手部結(jié)構(gòu)中的齒輪齒條屬于傳力機(jī)構(gòu)。 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。 3.1.1手指的形狀和分類 夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。 3.1.2設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 (1)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(guò)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。 (2)手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩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。手指的開閉角應(yīng)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。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。 (3)保證工件準(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。 (4)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(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。 (5)應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求 抓取形狀 手指形狀應(yīng)根據(jù)工件形狀而設(shè)計(jì)。如工件為圓柱形．則采用“V”形手指；圓球狀工件用圓弧形三指手指，方料用平面形手指，細(xì)絲工件用尖指勾形或細(xì)齒鉗爪手指?？傊畱?yīng)根據(jù)工件形狀來(lái)選定手指形狀。 抓取部位 抓取部位的尺寸盡可能是不變的．若加工后尺寸有變化，手指應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對(duì)于工件表面質(zhì)量要求高的，抓取時(shí)盡量避開高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)墊片(如橡皮．抱沫塑料．石棉襯墊等)，以防夾持時(shí)損壞工件。 抓取數(shù)量 若用一對(duì)手指抓取多個(gè)工件，為了不發(fā)生個(gè)別工件的松動(dòng)或脫落現(xiàn)象，在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫、塑料等 ，對(duì)于較長(zhǎng)工件可采用雙指或多指抓取。 (6)應(yīng)考慮手指的多用性 手指是專用性較強(qiáng)的部件，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可制成組合式的手指，對(duì)于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維修方便，更換迅速和準(zhǔn)確，以便擴(kuò)大機(jī)械手的使用范圍。 3.1.3手部夾緊氣缸設(shè)計(jì) (1)手部驅(qū)動(dòng)力計(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)其大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來(lái)說(shuō)，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷(慣性力或慣性力矩)，以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按下式計(jì)算： FN≥K1K2K3G (公式3.1) 式中 K1——安全系數(shù)，通常取1.2-2.0； K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可用下式估算 K2=1+ag (公式3.2) 其中 a——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大升加速度 g——重力加速度 g≈9.8ms2 K3——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。 K3=0.5tanθ1+ftanθ (公式3.3) f——摩擦系數(shù) G——選取工件所受的重力（N） K2=1+ag=1+0.20.59.8=1.04 K3=0.74 將已知條件代入得： FN=1.5×1.04×0.74×490=566 N 圖3.1機(jī)械手夾持器 （1） 氣缸的內(nèi)徑 根據(jù)手指的幾何關(guān)系得： F=2ba（cosα）2FN=4018（cos30）2566=943 N 由設(shè)計(jì)任務(wù)可以知道，要驅(qū)動(dòng)的負(fù)載大小位100Kg，考慮到氣缸未加載時(shí)實(shí)際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時(shí)，常用到負(fù)載率β： 由《液壓與氣壓傳動(dòng)技術(shù)》表11-1：取β=0.45運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與負(fù) 表3-1氣缸的載率 阻性負(fù)載（靜負(fù)載） 慣性負(fù)載的運(yùn)動(dòng)速度 ＜100mm／s 100～500mm／s ＞500mm／s β=0.8 ≤0.65 ≤0.5 ≤0.3 根據(jù)氣缸的結(jié)構(gòu)得： D－活塞直徑，m d-活塞桿直徑,m p-使用壓力, Pa F-彈簧反作用力，N F=π4D2-d2Pβ-Ft (公式3.4) 估算時(shí)取d=0.3D, Ft=40N, P=0.5MPa。代入上式得： 按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，取D=36 mm 表3-2氣缸內(nèi)徑尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）/mm 8 40 125 (280) 10 50 (140) 320 12 63 160 (360) 16 80 (180) 400 20 (90) 200 (450) 25 100 (220) 500 32 (110) 250 注：括號(hào)內(nèi)的公稱壓力值為非優(yōu)先采用值 （2） 活塞桿直徑 由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=25 mm 表3-3氣缸筒壁厚 材料 氣缸缸筒內(nèi)徑 50 80 100 125 160 200 250 壁厚 鑄鐵 7 8 10 10 12 14 16 無(wú)縫鋼管 5 6 7 7 8 8 10 鋁合金 8～12 12～14 14～17 表3-4氣缸活塞桿外徑尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）/mm 4 18 45 110 280 5 20 50 125 320 6 22 56 140 360 8 25 63 160 400 10 28 70 180 12 32 80 200 14 36 90 220 16 40 100 250 (4) 缸筒長(zhǎng)度的確定： 缸筒長(zhǎng)度S=L+B+20 L為活塞行程；B為活塞厚度 活塞厚度B=(0.20~0.25)D= 0.20×80=16mm 由于氣缸的行程L=200mm ,所以S=L+B+20=236 mm （5） 氣缸筒的壁厚的確定: 由《液壓氣動(dòng)技術(shù)速查手冊(cè)》知：一般氣缸缸筒與內(nèi)徑之比，其壁厚通常按薄壁筒公式計(jì)算.通常計(jì)算出的壁厚往往很薄，考慮機(jī)械加工工藝性，往往將缸筒壁厚適當(dāng)加厚，且盡量選用標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)徑和壁厚的鋼管與鋁合金管。下圖所列缸筒壁厚可供參考。 假設(shè)所選材料為無(wú)縫鋼管，則由表知 δ=3.5mm (6)氣缸的進(jìn)、排氣口計(jì)算 通常氣缸的進(jìn)、排氣口的直徑大小與氣缸速度有關(guān)，根據(jù)ISO-15552、ISO-7180。氣缸的進(jìn)、排氣口的直徑見下表（ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定） 氣缸直徑 32 40 50 63 80 氣口尺寸 M10×1 (G18) M14×1.5 (G14) M14×1.5 (G14) M18×1.5 (G38) M18×1.5 (G38) 汽缸直徑 100 125 150 200 250 氣口尺寸 M22×1.5 (G12) M22×1.5 (G12) M27×2 (G34) M27×2 (G34) M33×2 (G1) 汽缸直徑 320 氣口尺寸 M33×2 (G1) 查此表可知，氣缸的進(jìn)、排氣口的規(guī)格為M18×1.5(G38) 第四章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。如圖4—1所示的手腕運(yùn)動(dòng)有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)(或俯仰)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)，沿y軸方向的橫向移動(dòng)(或沿Z軸方向縱向移動(dòng))。因此手腕最多具有四個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)即四個(gè)自由度。 手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性，加工工藝要求，工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)，一般手腕沒(méi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或再增一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作的要求，也有的專用機(jī)械手沒(méi)有手腕的運(yùn)動(dòng)，若有特殊要求的可增加手腕左右擺動(dòng)或沿y軸方向的橫向移動(dòng)。 手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性， 因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，我們選用的是回轉(zhuǎn)油缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，回轉(zhuǎn)角度為0—180o，手腕回轉(zhuǎn)速度180o/s，并且要求嚴(yán)格的密封。 4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 4.2.1手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩. 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算: （公式4.1） 式中: - 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩(); - 慣性力矩(); - 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn) 動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩()., - 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩(); 下面以圖4-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算: (1)手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為，起動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間為，則: （公式4.2） 式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 - 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: （公式4.3） 式中: - 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； - 工件的重量(N)； - 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm), - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s)； - 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間(s)； — 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度(弧度)。 (2)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏 + () (公式4.4) 式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量(N)； - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距(cm) 當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則。 (3)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 () (公式4.5) 式中: ，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑(cm)； - 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承； ,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解， 根據(jù),得: (公式4.6) 同理，根據(jù)(F),得: 式中:- 手部的重量(N) ,—長(zhǎng)度尺寸(cm). (4)回轉(zhuǎn)氣缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 4.2.2回轉(zhuǎn)氣缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)氣缸，它的原理如圖4-3所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把氣腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮油從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)。單葉片回轉(zhuǎn)氣缸的壓力P和驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為: , 或 (公式4.7) 4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸 尺寸設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)油缸內(nèi)徑為,半徑R,軸徑D,半徑R,油缸運(yùn)行角速度，加速度時(shí)間，回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力為。 則力矩： (公式4.8) 第五章 手臂伸縮，升降，尺寸設(shè)計(jì)與校核 5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核 由設(shè)計(jì)方案可以知道，橫向氣缸1不僅要承受負(fù)載10kg的重量，還要承受氣缸3及手指部分的重量，假設(shè)此重量為負(fù)載的十分之一，即5kg。則縱向氣缸實(shí)際的負(fù)載F=150N。進(jìn)一步求的理論負(fù)載 （1） 氣缸的內(nèi)徑 F=π4D2-d2Pβ-Ft (公式5.1) 查表后得：D=40mm。 （2） 活塞桿直徑 由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=18 mm 查表后得：d=20mm (3) 缸筒長(zhǎng)度的確定： 缸筒長(zhǎng)度S=L+B+20 L為活塞行程；B為活塞厚度 活塞厚度B=(0.20~0.25)D= 0.20×40=8mm 由于氣缸的行程L=500mm ,所以S=L+B+20=628 mm （4） 氣缸筒的壁厚的確定 選用無(wú)縫鋼管為材料，查表得： δ=3mm (5)氣缸的進(jìn)、排氣口計(jì)算 查表可知，氣缸的進(jìn)、排氣口的規(guī)格為M18×1.5(G38)3.2.4活塞桿的強(qiáng)度校核 機(jī)械手爪的重量約為：5Kg。 工件重量為：10Kg。 圖3-5 活塞桿的受力分析 如圖3-5所示，由靜力平衡方程[8] ΣMB=0 R1·LAB －Q·LBC=0 (公 式5.2) ΣMA=0 R2·LAB － Q·LAC=0 (公式5.3) 求得支反力為： R1=703N R2=278N 以A點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，得剪力圖3-6和彎矩圖3-7如下： 圖3-6 剪力圖 圖3-7 彎矩圖 由表得活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa. 則在B處橫截面上的剪應(yīng)力為： τB= R2/A= 安全 在B處的彎應(yīng)力為： σB= MB/A= 安全。 5.2縱向氣缸的設(shè)計(jì) (1)氣缸的內(nèi)徑 根據(jù)機(jī)械手結(jié)構(gòu)關(guān)系得： F0=Fβ=1300.45=288.8≈290N (公式5.4) 根據(jù)氣缸的結(jié)構(gòu)得： 估算時(shí)取d=0.3D, P=0.7MPa。代入上式得： 按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圓整，取D=63mm (2)活塞桿直徑 由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=18 mm (3)缸筒長(zhǎng)度的確定： 缸筒長(zhǎng)度S=L+B+20 L為活塞行程；B為活塞厚度 活塞厚度B=(0.20~0.25)D= 0.20×563=10mm 由于氣缸的行程L=200mm ,所以S=L+B+20=232mm (4)氣缸筒的壁厚的確定: 假設(shè)所選材料為無(wú)縫鋼管，則由表知 δ=3mm (5)氣缸的進(jìn)、排氣口計(jì)算 查表可知，氣缸的進(jìn)、排氣口的規(guī)格為M18×1.5(G38) (2)計(jì)算作用在活塞上的總機(jī)械載荷 機(jī)械手手臂移動(dòng)油缸的受力簡(jiǎn)圖如圖5-1所示。作用在活塞上的總機(jī)械載荷P為： (公式5.5) ①工作阻力：工作阻力的數(shù)值要根據(jù)油缸工作的具體情況確定有無(wú)，并進(jìn)行計(jì)算或估算。 在此為完成搬運(yùn)工件的伸縮油缸，故不受工作阻力，即為0。 ②導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力：不同配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。 圖5-1 手臂伸縮氣缸受力簡(jiǎn)圖 本設(shè)計(jì)如圖5-1所示的是雙向桿導(dǎo)向，其導(dǎo)向桿截面形狀是圓柱面。導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在氣缸的兩側(cè)，并布置在過(guò)氣缸活塞桿的平面內(nèi)。 ③密封裝置處的摩擦阻力 在壓力油驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，各密封裝置處摩擦阻力之和為，即 (公式5.6) 分別為活塞桿和缸蓋處、活塞與缸壁處、伸縮氣管處等密封裝置處的摩擦阻力，其值隨密封圈結(jié)構(gòu)的不同而異。 ④慣性力 機(jī)械手的手臂在起動(dòng)時(shí)，活塞桿上所受到的平均慣性力，可近似計(jì)算如下： (公式5.7) 式中： —參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量（包括被抓物件重量） g—重力加速度 —速度變化量 —啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間 ⑤背壓阻力 背壓阻力為氣缸低壓氣體所造成的阻力。一般背壓阻力較小，可按計(jì)算。 由于，故。 所以： (3)氣缸的校核 a)計(jì)算氣缸可以產(chǎn)生的輸出力 已知?dú)飧椎闹睆紻=63mm，氣缸的工作壓力p=0.7Mpa。 則有機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表12-9： 可以算出氣缸所產(chǎn)生的推力P≈0.65p=0.65×63mm×63mm×0.7Mpa =1805.895N 氣缸可以產(chǎn)生的拉力≈0.6p=1666.98N b）計(jì)算機(jī)械手臂所產(chǎn)生的重力 機(jī)械手爪的重量約為：5Kg；工件重量為：10Kg；驅(qū)動(dòng)手爪開合氣缸的重量為1.45 Kg；伸縮氣缸的重量為6.6 Kg；機(jī)械手臂的安裝底座和以及導(dǎo)向桿支架等其他零件的總重量約為150 Kg。 機(jī)械手臂總體產(chǎn)生的重力G=mg=1723.08N 氣缸所產(chǎn)生的推力P＞機(jī)械手臂總體產(chǎn)生的重力G，所以氣缸能夠推動(dòng)手臂而完成手臂的升降運(yùn)動(dòng)。 5.3導(dǎo)向裝置 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來(lái)確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。目前導(dǎo)向桿常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中采用雙向?qū)驐U來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 5.4 平衡裝置 在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。  第六章 總結(jié) 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在學(xué)完大學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行了一系列的生產(chǎn)實(shí)習(xí)和以前各次課程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的一次綜合性的大總結(jié)。旨在培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、專業(yè)知識(shí)去分析和解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的能力及培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想，并通過(guò)運(yùn)用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)、和查閱有關(guān)技術(shù)資料去進(jìn)行理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)思考、繪制圖樣、寫相關(guān)說(shuō)明性材料，培養(yǎng)我們機(jī)械設(shè)計(jì)的基本技能和工程設(shè)計(jì)工作者的基本素質(zhì)，為我們走上工作崗位打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)課題為液壓通用機(jī)械手。隨著生產(chǎn)率水平的提高，人們對(duì)產(chǎn)品精度和質(zhì)量要求越來(lái)越來(lái)嚴(yán)格，企業(yè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化程度要求越來(lái)越高，工業(yè)機(jī)械手已成為多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)線上必不可少的設(shè)備。此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手各組成部分有：手爪、手腕、手臂、機(jī)身、機(jī)座等。并對(duì)其進(jìn)行了嚴(yán)謹(jǐn)、詳細(xì)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、校核和繪圖。由于自身缺乏實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且本次設(shè)計(jì)內(nèi)容較多，任務(wù)繁重，而且這方面的資料少，加重了設(shè)計(jì)的難度。所以在設(shè)計(jì)中難免會(huì)出現(xiàn)一些的錯(cuò)誤，還請(qǐng)各位老師斧正。 總之，我希望通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)自己未來(lái)將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性的訓(xùn)練，從中鍛煉自己分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力，為將來(lái)的工作打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)。 第七章 致謝 本次設(shè)計(jì)是在我尊敬的姚老師悉心指導(dǎo)下完成的。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度使我受益匪淺。在此，我首先向?qū)煴硎菊\(chéng)摯的感謝，并致以崇高的敬意! 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是大學(xué)四年間所學(xué)知識(shí)的綜合運(yùn)用，通過(guò)這次設(shè)計(jì)把這四年所學(xué)的基礎(chǔ)理論和專業(yè)課程作了一個(gè)總結(jié)和回顧，加深了對(duì)理論的理解，能夠掌握機(jī)械設(shè)計(jì)的全套思路，為即將走上工作崗位和以后的發(fā)展打下了一定的基礎(chǔ)。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我查閱了大量的圖書資料以及網(wǎng)絡(luò)上的資料，包括液氣壓控制、幾何量公差與測(cè)量、機(jī)械制圖、機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)等等，尤其是在從對(duì)各類設(shè)計(jì)手冊(cè)的查閱中，我的知識(shí)面得到了很大的提高；通過(guò)對(duì)該課題的獨(dú)立設(shè)計(jì)，使我對(duì)機(jī)械知識(shí)有了一個(gè)更加深入的了解，對(duì)機(jī)械這門學(xué)科有了進(jìn)一步的理解。也使我獨(dú)立設(shè)計(jì)的能里有了極大的提高。 在設(shè)計(jì)的研究階段，我得到了姚老師的大力支持和幫助，在此一并向她表示衷心的感謝。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到不懂的地方，我也經(jīng)常與同學(xué)進(jìn)行討論，解決難題。感謝父母 、家人對(duì)我的教育，感謝所有關(guān)心我的朋友和老師，同時(shí)感謝菏澤學(xué)院良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。 當(dāng)然，由于本人設(shè)計(jì)水平有限、在課程中沒(méi)有接觸過(guò)機(jī)械手的相關(guān)課程，實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的不足，以及時(shí)間上的限制，在設(shè)計(jì)中難免存在一些錯(cuò)誤。懇請(qǐng)老師給予以批評(píng)以及指正。 再次表示感謝！ 參考文獻(xiàn) [1]劉建慧,鄒慧君.加工中心自動(dòng)換刀裝置類型綜述及設(shè)計(jì)特點(diǎn)[J],機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,2001.9,17(3):49～51 [2]李凈儀,李秋紅,鄭耘杰.簡(jiǎn)述機(jī)械手液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J],農(nóng)機(jī)使用與維修,2010,3: 27～28 [3]朱文藝，張慶樂(lè).數(shù)控加工中心換刀機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程及控制原理研究[J],武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009.3,21(1):5～9 [4]劉煒. 數(shù)控加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)[J], 機(jī)床與液壓, 2005,5:58 [5]楊可森,艾長(zhǎng)勝,侯志堅(jiān). 數(shù)控鏜銑加工中心自動(dòng)換刀系統(tǒng)中機(jī)—液機(jī)械手[J] 機(jī)床與液壓，2003,3:216～217 [6]范真.加工中心[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004 [7]許福玲,陳堯明.液壓與氣壓傳動(dòng)(第三版) [M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003 [8]沙杰,加工中心結(jié)構(gòu)、調(diào)試與維護(hù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003 [9]吳振彪,王正家.工業(yè)機(jī)器人（第二版）[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2009 [10]濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第八版）[M].北京:高等教育出版社,2008 [11]王科社,楊慶東,孫志永.淺談快速自動(dòng)換刀裝置[J], 《新技術(shù)新工藝》·機(jī)械加工與自動(dòng)化,2002,10:20～22 [12]張祺,侯力,劉松.加工中心換刀機(jī)械手控制系統(tǒng)研究[J]，控制與檢測(cè)，2010，8：42～43 [13]劉瑞己.加工中心快速自動(dòng)換刀裝置[J],機(jī)械工程師，2004，11：84 [14]朱文藝，張慶樂(lè).數(shù)控加工中心換刀機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程及控制原理研究[J]，武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009.3,21(1):5～8 [15]李健玲，賀煒，丁毅.一種換刀機(jī)械手卡爪夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J],組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010,8 [16]劉茂生.FMS刀具交換系統(tǒng)換刀機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)[J]，航空精密制造技術(shù)，1997，6（33）：18～22 [17]Mustafa Ilhan Gokler,Murat Bilgin Koc. 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