0摘 要本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)式，能完成上料、翻轉(zhuǎn)等功能。此機(jī)械手主要由手爪、手腕、手臂和機(jī)身等部分組成，具有手腕回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂升降和手臂回轉(zhuǎn) 4 個(gè)自由度，能夠滿足一般的工業(yè)要求。該機(jī)械手由電位器定位，實(shí)行點(diǎn)位控制，控制系統(tǒng)采用 PLC 可編程控制，具有良好的通用性和靈活性。該機(jī)械手為液壓驅(qū)動(dòng)，4 個(gè)自由度和手爪的夾緊都由液壓缸驅(qū)動(dòng)，在油路的布置和規(guī)劃中結(jié)合機(jī)械制造的基礎(chǔ)，不斷使油路符合制造的可行性，而且將油路布置成空間結(jié)構(gòu)，使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔和緊湊。關(guān)鍵字：關(guān)節(jié)型機(jī)械手 圓柱坐標(biāo) 液壓缸 可編程控制1AbstractIn this paper, the design of the joint-type robot using cylindrical coordinates of type, can be completed on the expected, inversion and other functions. Mainly by the manipulator hand, wrist, arm and body parts, etc., with rotating wrists, arms stretching, arm movements and arm rotation four degrees of freedom, able to meet the general requirements of the industry. The manipulator by the potentiometer position, the implementation of the control points, the control system using PLC programmable control, has a good generality and flexibility. The manipulator for the hydraulic-driven, four degrees of freedom and the clamping gripper driven by the hydraulic cylinder in the circuit layout and planning based on the combination of machinery manufacturing, and continuously so that the feasibility of manufacturing in line with the circuit, but also circuit layout into a spatial structure, so that the structure of manipulator more concise and compact. Keywords: joint-type robot cylindrical coordinates hydraulic cylinders PLC.2目 錄摘要 …………………………………………………………………………………iAbstract ……………………………………………………………………………ii1 緒論 ……………………………………………………………………… 11.1 研究目的及意義 ………………………………………………………… 11.2 本課題研究?jī)?nèi)容 ………………………………………………………… 22 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 32.1 工業(yè)機(jī)械手的組成 ……………………………………………………… 32.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) ………………………………………………………… 32.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) ……………………………………………………………42.1.3 控制系統(tǒng) ………………………………………………………… 42.2 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù) ………………………………………… 42.3 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖………………………………………………53 關(guān)節(jié)型機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………63.1 手部 ………………………………………………………………………63.1.1 夾緊力的計(jì)算 ……………………………………………………63.1.2 夾緊缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 ………………………………………………73.1.3 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的夾持誤差分析與計(jì)算 ……………………83.1.4 夾緊缸的計(jì)算 ……………………………………………………103.2 腕部 ………………………………………………………………………113.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 ……………………………………………113.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 ……………………………………………123.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 …………………………………………143.3 臂部 ………………………………………………………………………153.3.1 手臂伸縮液壓缸 …………………………………………………153.3.2 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸 …………………………………………………234 機(jī)械手的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) …………………………………………………274.1 程序控制機(jī)械手的液壓系統(tǒng) ……………………………………………274.2 液壓系統(tǒng) …………………………………………………………………274.2.1 各液壓缸的換壓回路 ……………………………………………274.2.2 調(diào)速方案 …………………………………………………………284.2.3 減速緩沖回路 ……………………………………………………294.3 液壓系統(tǒng)的合成 …………………………………………………………295 機(jī)械手的可編程控制 ……………………………………………………315.1 輸入輸出觸點(diǎn)的分配 ……………………………………………………315.1.1 行程開(kāi)關(guān)的分配 …………………………………………………3135.1.2 手動(dòng)按鈕的分配 …………………………………………………315.1.3 輸入輸出繼電器的分配 …………………………………………325.2 外部接線圖 ………………………………………………………………325.3 控制面板設(shè)計(jì) ……………………………………………………………335.4 狀態(tài)控制圖 ………………………………………………………………345.5 梯形圖 ……………………………………………………………………35結(jié)論 …………………………………………………………………………………37致謝 …………………………………………………………………………………38參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………391 緒論機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，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)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。1.1 研究目的及意義工業(yè)機(jī)械手具有許多人類(lèi)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，滿足了社會(huì)化大生產(chǎn)的需要，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：1.能代替人從事危險(xiǎn)、有害的操作。只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作。工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有強(qiáng)烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，應(yīng)推廣工業(yè)機(jī)械手或機(jī)器人。2.能長(zhǎng)時(shí)間工作，不怕疲勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來(lái)，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，而機(jī)械手只要注意維護(hù)、檢修，即能勝任長(zhǎng)時(shí)間的單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)。3.動(dòng)作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)又可避免人為的操作錯(cuò)誤。44.機(jī)械手特別是通用工業(yè)機(jī)械手的通用性、靈活性好，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。5.機(jī)械手能明顯地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。由于機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化和信息化中發(fā)揮了以上巨大的作用，世界各國(guó)都很重視工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用在我過(guò)還屬于起步階段，就顯示出了許多的無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。近十幾年來(lái)，機(jī)械手的開(kāi)發(fā)不僅越來(lái)越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。1.2 本課題研究?jī)?nèi)容要求本設(shè)計(jì)能較鮮明地體現(xiàn)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)構(gòu)思。所謂機(jī)電一體化，是機(jī)械工程技術(shù)吸收微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)等而形成的一種新的綜合集成技術(shù)。盡管機(jī)電一體化的產(chǎn)品名目繁多，并由于它們的功能不同而有不同的形式和復(fù)雜程度，但做功的機(jī)械本體部分（包括動(dòng)力裝置）和微點(diǎn)自控制部分（包括信息處理）是最基本的、必不可少的要素。本設(shè)計(jì)要求完成以下工作：1、 擬定整體方案，特別是控制方式與機(jī)械本體的有機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。2、 根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部、腕部和臂部的結(jié)構(gòu)。3、 各部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。4、 機(jī)械手工作裝配圖的設(shè)計(jì)與繪制。5、 液壓系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)與繪制。6、 編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。52 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)2.1 工業(yè)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)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1 機(jī)械手的組成2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型(為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(pán)（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。2.腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動(dòng)，左右擺動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)。如有特殊6要求（將軸類(lèi)零件放在頂尖上，將筒類(lèi)、盤(pán)類(lèi)零件卡在卡盤(pán)上等），手腕還可以有一個(gè)小距離的橫移。也有的工業(yè)機(jī)械手沒(méi)有腕部自由度。3.臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是帶動(dòng)手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。手臂有三個(gè)自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高，在自由度較少時(shí)使用。圓柱坐標(biāo)占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)式占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動(dòng)力小，能抓取底面物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以也不常用。2.1.2 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。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。液動(dòng)式的出力大，臂力可達(dá) 1000N 以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的是氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)式用于小型，機(jī)械式只用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。2.1.3 控制系統(tǒng)有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤(pán)、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。2.2 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)1.抓重： 300N2.自由度： 4個(gè)3.坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)74.手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)動(dòng)名稱 符 號(hào) 行程范圍 速 度伸 縮 X 400mm 小于250mm/s升 降 Z 300mm 小于70mm/s回 轉(zhuǎn) ψ 0°~210° 小于90 (°)/s5.手腕參數(shù)運(yùn)動(dòng)名稱 符 號(hào) 行程范圍 速 度回 轉(zhuǎn) ω 0°~180° 小于90 (°)/s6.手指夾持范圍：棒料，直徑50~70mm，長(zhǎng)度450~1200mm7.定位方式：電位器設(shè)定，點(diǎn)位控制8.驅(qū)動(dòng)方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）9.定位精度：±3mm10.控制方式：可編程控制2.3 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖經(jīng)過(guò)考慮，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手設(shè)計(jì)成如下簡(jiǎn)圖形式：圖 2.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手83 關(guān)節(jié)型機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 手部手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)直接握持工件的部件，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(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)多種多樣，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而定的。歸結(jié)起來(lái)，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(lèi)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，這里只討論夾鉗式的手部結(jié)構(gòu)。 夾鉗式手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤(pán)、套類(lèi)零件。一般情況下，多采用兩個(gè)手指。驅(qū)動(dòng)裝置為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)源有液壓的、氣動(dòng)的和電動(dòng)的等幾種形式。常見(jiàn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往往通過(guò)滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊或放松。 平移型手指的張開(kāi)閉合靠手指的平行移動(dòng)，適于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時(shí)，不會(huì)引起中心位置的偏移。但這種手指結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積大，要求加工精度高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工件是圓盤(pán)，所以采用回轉(zhuǎn)型手指，其張開(kāi)和閉合靠手指根部（以樞軸支點(diǎn)為中心）的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。樞軸支點(diǎn)為一個(gè)的，稱為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型；為兩個(gè)支點(diǎn)的，稱為雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。這種手指9結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀小巧，但夾持不同工件會(huì)產(chǎn)生夾持定位誤差。本設(shè)計(jì)要求抓取棒料，故采用夾鉗式手部。3.1.1 夾緊力的計(jì)算手指加在工件上的夾緊力，是計(jì)算手部的主要依據(jù)。必須對(duì)其大小、方向和作用力進(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） ，以及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：式中 K ——安全系數(shù)，通常取 1.2~2.0;1K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 可近似按下式估算K2=1+ ga其中 a—運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度； g—重力加速度，g ≈ 9.8m/s ;2a= 響tvmax——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度； t ——系統(tǒng)達(dá)到最高速maxv 響度的時(shí)間；根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取。一般取 0.03~0.5s。 K ——方位系數(shù)，根據(jù)手3指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定。G—被抓工件所受重力（N） 。3.1.2 夾緊缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算如圖是液壓夾緊裝置。手爪殼和缸殼連成一體，當(dāng)壓力油從液壓缸右邊油管進(jìn)油時(shí)，活塞桿向左移動(dòng)，推動(dòng)手爪閉合；當(dāng)壓力油從液壓缸左邊進(jìn)油時(shí)，拉動(dòng)手爪張開(kāi)。缸的拉力（或推力） （N）為：10pF）（拉 2dD4???推式中 D—活塞直徑（ ）;m——活塞桿直徑（ ）;d——驅(qū)動(dòng)壓力（ ） 。paP圖 3.1 液壓缸驅(qū)動(dòng)裝置3.1.3 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的夾持誤差分析與計(jì)算機(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)械手定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件確定） ，而且也與手指的夾持誤差有關(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，避免差生手指夾持的定位誤差，必須選用合理的手部機(jī)構(gòu)參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。圖 3.2 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指若把工件軸心位置 C 到手爪兩支點(diǎn)連線的垂直距離 CD 以 X 表示，根據(jù)幾何關(guān)系有：11對(duì)于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng) a 值較大時(shí)） ，偏轉(zhuǎn)角 β 的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時(shí)，兩手爪的BE 和 B′E′邊平行，抓不著工件。為了避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑 ，以∠BCD=90° 為條件確定兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角，即 β 為：－a）工件平均半徑取手指 為 2 倍的工件平均半徑=2 =2×30mm=60mm取 V 型夾鉗的夾角 2θ=120°，取 a=12mm則 －a） = =67.83°計(jì)算 = =60× =19.61mm ==|=|57.09-54.60|=2.49mm12因?yàn)轭}目要求定位精度為±3mm,所以設(shè)計(jì)滿足要求。設(shè)計(jì)結(jié)果：a=12mm=60mm2θ=120°==55.56mm3.1.4 緊缸的計(jì)算1、設(shè) =1.5， =1.05，工件垂直方向的移動(dòng)速度為 0.07 ，機(jī)械手達(dá)到最高速度的響應(yīng)時(shí)間為 0.5S，α=45°，則=1+ =1+ =1.01=1.5×1.01×1.05×3=477.23N2、驅(qū)動(dòng)力計(jì)算2209.57N3、取 η=0.85=2599.49N4、確定液壓缸直徑 D∵ 13選取活塞桿直徑 d=0.5D，壓力油工作壓力 p=30×∴D= 0.038m根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB1086—67）選取液壓缸內(nèi)徑為：D=40mm則活塞桿直徑為：d=40×0.5=20mm3.2 腕部手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是再臂部運(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，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕部件具有獨(dú)立的自由度。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求。目前，應(yīng)用最廣泛的手腕回轉(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)角度較小（一般小于 270 o），并且要求嚴(yán)格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此，在要求較大或轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條齒輪傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求1、力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于臂部的最前端，它連同手部的精、動(dòng)載荷均由臂部承受。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、綜合考慮，合理布局腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求以及具有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局。如應(yīng)解決好腕部與臂部和手部的連接，腕部各個(gè)自由度的位置檢測(cè)，管線布置，以及潤(rùn)滑、維修、調(diào)整等問(wèn)題。3、必須考慮工條件對(duì)于高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作的機(jī)械手，其腕部在設(shè)計(jì)是應(yīng)充分估計(jì)14環(huán)境對(duì)腕部的不良影響（如熱膨脹、壓力油的粘度惡化燃點(diǎn)，有關(guān)材料及電控元件的耐熱性等）。根據(jù)以上幾點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出腕部的結(jié)構(gòu)如圖 3-2。其為典型腕部結(jié)構(gòu)中具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。直接用回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。圖 3.3 用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)1——回轉(zhuǎn)液壓缸 2——手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸 3——左進(jìn)油管 4——手部油管5——右進(jìn)油管 6——固定葉片 7——回轉(zhuǎn)軸 8——回轉(zhuǎn)葉片 9——缸體圖3.3所示的為腕部結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸，實(shí)現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從 B-B剖視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡(jiǎn)稱動(dòng)片）用螺釘、銷(xiāo)釘和轉(zhuǎn)軸 7 連接在一起，定片 6則和缸體 9 連接。壓力油分別由油孔 3、5 進(jìn)出油腔，實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動(dòng)片、定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于 270°），圖示液壓缸可以回轉(zhuǎn)±90°。15圖示手部的開(kāi)閉動(dòng)作采用單作用液壓缸，只需一個(gè)油管。通向手部驅(qū)動(dòng)液壓缸的油管是從回轉(zhuǎn)缸壁通過(guò)，然后通過(guò)一個(gè)環(huán)槽結(jié)構(gòu)包圍手部夾緊缸，腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，不論在哪個(gè)方位油路仍可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉(zhuǎn)。腕部用來(lái)和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉(zhuǎn)液壓缸）由手臂內(nèi)通過(guò)并經(jīng)腕部回轉(zhuǎn)缸壁分別進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸和手部驅(qū)動(dòng)液壓缸。3.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力。1、腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 一般為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取 =0.1 阻力矩2、克服由于工件重心偏置所需的力矩=式中 e——工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）。3、克服啟動(dòng)慣性所需的力矩啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度 ω 及啟動(dòng)所用時(shí)間 ，按下式計(jì)算或者根據(jù)腕部角速度 ω 及啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)過(guò)的角度φ啟按下式：式中 J工件 ——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N m ）；J ——手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N m ）；16ω ——手腕回轉(zhuǎn)過(guò)程的角速度（1/s）；t啟 ——啟動(dòng)過(guò)程中所需時(shí)間（s），一般取 0.05-0.3s；——啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（rad）。手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力矩相當(dāng)于上述三項(xiàng)之和。如果手腕回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ J+ ）不是很大時(shí)，手腕啟動(dòng)過(guò)程所產(chǎn)生的慣性力矩也不大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算可以將計(jì)算力矩 、 適當(dāng)放大，而省略掉 ，這時(shí))具體計(jì)算過(guò)程如下設(shè)：（1）手爪、手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件為一個(gè)等效圓柱體，高為30cm,直徑為20cm,其所受重力為G=400N。（2）摩擦阻力矩 =0.1（3）啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 =15 =0.262rad,等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω=90 =1.571求 = =0.204 N m= =4.362 N m17代入 21.506N m=0.1= 21.506N m3.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì)計(jì)算回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力距，為了使該機(jī)械手具有更好的通用性，以及與相應(yīng)的機(jī)構(gòu)尺寸相吻合，設(shè)回轉(zhuǎn)的基本尺寸如下：回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D=40mm輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑 d=10mm動(dòng)片寬度 b=45mm回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力 p=3M∴ 因?yàn)?，所以是符合要求的。3.3 臂部手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具） ，并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(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)。 臂部的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或氣缸）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等直接影響機(jī)械手的工作性能。18由本機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)可知該臂部分三部分：回轉(zhuǎn)缸、伸縮缸和俯仰擺動(dòng)液壓缸?；剞D(zhuǎn)缸實(shí)現(xiàn)的是手臂旋轉(zhuǎn)，伸縮缸實(shí)現(xiàn)的是手臂升降，俯仰缸實(shí)現(xiàn)的是手臂的俯仰。3.3.1 手臂伸縮液壓缸3.3.1.1 伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)整體考慮，手臂作直線運(yùn)動(dòng)的部分設(shè)計(jì)為雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)，其圖如下：圖 3.4 雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)1——缸蓋 2——導(dǎo)向桿 3——活塞 4——缸體 5——活塞桿 6——導(dǎo)向套從圖中可較清楚地看到手臂伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)；導(dǎo)向桿 2 在導(dǎo)向套內(nèi)移動(dòng)，以防手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（小臂回轉(zhuǎn)，手腕回轉(zhuǎn)和手爪夾緊液壓缸用的輸油管道安裝在其內(nèi)）。19由于手臂的伸縮缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向管承受彎曲作用，活塞桿只受軸向的拉力和壓力，故大大減少了活塞桿的受力，使傳動(dòng)平穩(wěn)。3.3.1.2 手臂伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1.2.1作水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力式中 ——摩擦阻力。手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，為運(yùn)動(dòng)件表面的摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力?！芊庋b置處的摩擦阻力?！簤焊谆赜颓坏蛪河鸵核斐傻淖枇??！獑?dòng)或制動(dòng)時(shí)，活塞桿所受平均慣性力。1） 的計(jì)算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。圖 3.5 水平移動(dòng)液壓缸受力圖圖 3.5 為雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，其導(dǎo)向桿截面形狀為圓柱面，導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在伸縮缸的兩側(cè)，啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向裝置的摩擦阻力較大，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。20得 =0得 =∴式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工作重力） （N） ；L——手臂參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支承前端的距離（m）;a——導(dǎo)向支承的長(zhǎng)度（m） ；——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)。對(duì)于圓柱面：=（1.27~1.57）——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 =0.1~0.5鋼對(duì)鑄鐵：取 =0.18~0.3取 =0.2，設(shè)手爪、手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸所受重力為 G=400N，手臂伸縮液壓缸所受重力為 G=150N，則21=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，則=0.2×1.3×850( =442N2） 的計(jì)算 不斷密封圈其摩擦阻力不同，此處選用“Y”形密封圈。= pπdl式中 ——摩擦系數(shù)， =0.06~0.08P——密封處的工作壓力（ ） ；d——密封處的直徑（m）l——沿軸向的密封長(zhǎng)度，相當(dāng)于唇部的寬度（m） 。根據(jù)活塞桿的直徑選“Y”形密封圈型號(hào)為 B16407ACM，內(nèi)徑為 16mm，唇部寬度為 7mm，設(shè)密封處工作壓力為 2.5 ，則= pπdl=0.07×2.5× π×0.016×0.007=61.58N3） 的計(jì)算 一般背壓阻力較小，可按 =0.05p,此處忽略不計(jì)。4） 的計(jì)算0.7式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（包括工件重量） （N） ；g——重力加速度，取 9.8m/ ;——由靜止加速到常速的變化量（m/s） ；——啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間（s） ，一般取 0.01~0.5s。22已知 =0.07m/s，取 =0.5s∴ = =12.14N手臂作水平直線運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為=12.14+442+61.58+0=515.72N3.3.1.2.2 手臂作升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力±G式中 ——摩擦阻力，如下圖所示。 =2 f，取 f=0.16G——零部件及工件所受總重力。其他阻力的計(jì)算與上相同，省略。注意，須按 h0.32ρ 計(jì)算不自鎖的條件。圖 3.6 手臂各部件重心位置圖3.3.1.3 伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸3.3.1.3.1 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算23圖 3.7 雙作用液壓缸示意圖如圖 3.7 所示，當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔當(dāng)油進(jìn)入有桿腔液壓缸的有效面積：固有（無(wú)桿腔）（有桿腔）式中 F——驅(qū)動(dòng)力（N） ；——液壓缸的工作壓力（ ） ；d——活塞桿直徑（m） ；D——液壓缸內(nèi)徑（m） ；——液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取 =0.95。由總體設(shè)計(jì)知，手臂在收縮是液壓油進(jìn)入的有桿腔，取 =0.95，則由于前面的手部和腕部的液壓缸內(nèi)徑都選的是 40mm，為了使該機(jī)械手具有24更好的通用性，這里也取 D=40mm。3.3.1.3.2 液壓缸壁厚計(jì)算初選壁厚 δ=5mm，則：因?yàn)?16 3.2 時(shí)屬于中等壁厚，所以該壁厚屬于中等壁厚，計(jì)算公式為：式中 ——液壓缸內(nèi)工作壓力（ ） ；——強(qiáng)度系數(shù)（當(dāng)為無(wú)縫鋼管時(shí) =1） ；C——讓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） 。該鋼臂為無(wú)縫鋼管，則=0.001mm所以選取的壁厚滿足條件。取標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑為 50mm，則壁厚為 5mm。3.3.1.3.3 塞桿的計(jì)算 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)度的要求。對(duì)于桿長(zhǎng) l 大于直徑 d 的 15 倍（即 l15d）的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。①按強(qiáng)度條件決定活塞桿直徑 d0.002m所以 d=16mm 是滿足要求的。②活塞桿的穩(wěn)定性校核 當(dāng)活塞桿 l15d 時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。因?yàn)榇颂幓钊麠U長(zhǎng)度為 200mm，直徑為 16mm，200/1615，所以這里不用進(jìn)行活塞桿的穩(wěn)定性校核。3.3.1.3.4 螺釘?shù)挠?jì)算為了保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距 ，查表知，間距應(yīng)小于25100mm，設(shè)螺釘數(shù)目為 4 個(gè)。表 3.1 間距 與壓力 p 的關(guān)系工作壓力 （ ） 螺釘間距 （mm）0.1~1.5 1501.5~2.5 1202.5~5.0 1005.0~10.0 80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 和預(yù)緊力 之和式中 =F——驅(qū)動(dòng)力（N）Z——螺釘數(shù)目p——工作壓力（ ）——預(yù)緊力 =K K＝1.5~1.8D——危險(xiǎn)剖面直徑（m）螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為式中 ——計(jì)算載荷（N） ；抗拉許用應(yīng)力（單位為 ）n=1.2~2.526——螺紋內(nèi)徑（mm）——螺釘材料屈服極限設(shè)螺釘?shù)牟牧蠟?45 號(hào)鋼，查得 =360 ，經(jīng)過(guò)計(jì)算得 4.4mm，取螺釘型號(hào)為 M5。表 3.2 螺釘材料的屈服極限鋼號(hào) 10 Q215 Q235 35 45 40Cr210 220 240 320 360 650~9003.3.2 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸3.3.2.1 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)考慮，手臂回轉(zhuǎn)液壓缸設(shè)計(jì)成如下形式：圖 3.8 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸1——缸體 2——鍵 3——?jiǎng)悠?4——左油孔 5——定片 6——右油孔圖3.8所示的手臂結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從 A-A剖視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡(jiǎn)稱動(dòng)片）用鍵 2 和轉(zhuǎn)軸連接在一起，定片 5 和缸體 1用銷(xiāo)釘和螺釘連接。壓力油分別由油孔 4、6 進(jìn)出油腔，實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動(dòng)片、定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于 270°）。3.3.2.2 手臂回轉(zhuǎn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩27手臂回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力：1、回轉(zhuǎn)處的摩擦阻力 ，一般為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取 =0.12、啟動(dòng)慣性所需的力矩式中 ——手臂回轉(zhuǎn)部分對(duì)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nm ）——工件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nm ）——手臂回轉(zhuǎn)過(guò)程的角速度（1/s）——啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（rad）具體計(jì)算過(guò)程如下：設(shè)：①手爪、手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸、手腕回轉(zhuǎn)液壓缸以及手臂伸縮液壓缸等效為一個(gè)圓柱體，高 40cm，直徑為 20cm，其所受重力為 550N；②摩擦阻力矩 =0.1 ；③啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 =18°=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度=90 /s=1.57轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算為：在手腕部分已算過(guò)， （Nm ）28代入：=0.13.3.2.3 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力距，為了使該機(jī)械手具有更好的通用性，以及與相應(yīng)的機(jī)構(gòu)尺寸相吻合，設(shè)回轉(zhuǎn)的基本尺寸如下：回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D=40mm輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑 d=10mm動(dòng)片寬度 b=45mm回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力 p=3M∴ 因?yàn)?，所以是符合要求的。3.3.2.4 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算由于在計(jì)算手臂伸縮液壓缸過(guò)程中已經(jīng)行過(guò)缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，此處的計(jì)算與上面相同，故不再贅述。294 機(jī)械手的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)自 60 年代初到現(xiàn)在，已自機(jī)械手中獲得廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)力大、力（或力矩）慣性比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等。液壓系統(tǒng)在機(jī)械手中所起的作用是通過(guò)電—液轉(zhuǎn)換元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)液壓動(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)械手的手臂按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動(dòng)液壓缸。用于實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮升降以及手腕、手臂的回轉(zhuǎn)。4.1 程序控制機(jī)械手的液壓系統(tǒng)這類(lèi)機(jī)械手屬于非伺服控制機(jī)械手，在只有簡(jiǎn)單搬運(yùn)動(dòng)作業(yè)功能的機(jī)械手中，常常采用簡(jiǎn)單的邏輯控制裝置或編程控制，對(duì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)有限位的控制。這類(lèi)機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其它液壓機(jī)械設(shè)計(jì)所考慮的問(wèn)題大致相同，只是在以下方面須加以重視。1）液壓缸設(shè)計(jì)：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減少摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。2）定位點(diǎn)的緩沖與制動(dòng)：因機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)慣量較大，在定位點(diǎn)前要 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：所在系部：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：日 期：Joint-based Robot DesignBy畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）英 文 文 獻(xiàn) 翻 譯學(xué)生姓名：學(xué) 號(hào)：所在系部：專業(yè)班級(jí)：指導(dǎo)教師：日 期： 摘 要本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)式，能完成上料、翻轉(zhuǎn)等功能。此機(jī)械手主要由手爪、手腕、手臂和機(jī)身等部分組成，具有手腕回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂升降和手臂回轉(zhuǎn) 4 個(gè)自由度，能夠滿足一般的工業(yè)要求。該機(jī)械手由電位器定位，實(shí)行點(diǎn)位控制，控制系統(tǒng)采用 PLC 可編程控制，具有良好的通用性和靈活性。該機(jī)械手為液壓驅(qū)動(dòng)，4 個(gè)自由度和手爪的夾緊都由液壓缸驅(qū)動(dòng)，在油路的布置和規(guī)劃中結(jié)合機(jī)械制造的基礎(chǔ)，不斷使油路符合制造的可行性，而且將油路布置成空間結(jié)構(gòu)，使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔和緊湊。關(guān)鍵字：關(guān)節(jié)型機(jī)械手 圓柱坐標(biāo) 液壓缸 可編程控制AbstractIn this paper, the design of the joint-type robot using cylindrical coordinates of type, can be completed on the expected, inversion and other functions. Mainly by the manipulator hand, wrist, arm and body parts, etc., with rotating wrists, arms stretching, arm movements and arm rotation four degrees of freedom, able to meet the general requirements of the industry. The manipulator by the potentiometer position, the implementation of the control points, the control system using PLC programmable control, has a good generality and flexibility. The manipulator for the hydraulic-driven, four degrees of freedom and the clamping gripper driven by the hydraulic cylinder in the circuit layout and planning based on the combination of machinery manufacturing, and continuously so that the feasibility of manufacturing in line with the circuit, but also circuit layout into a spatial structure, so that the structure of manipulator more concise and compact. Keywords: joint-type robot cylindrical coordinates hydraulic cylinders PLC.0摘 要本文設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)型機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)式，能完成上料、翻轉(zhuǎn)等功能。此機(jī)械手主要由手爪、手腕、手臂和機(jī)身等部分組成，具有手腕回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂升降和手臂回轉(zhuǎn) 4 個(gè)自由度，能夠滿足一般的工業(yè)要求。該機(jī)械手由電位器定位，實(shí)行點(diǎn)位控制，控制系統(tǒng)采用 PLC 可編程控制，具有良好的通用性和靈活性。該機(jī)械手為液壓驅(qū)動(dòng)，4 個(gè)自由度和手爪的夾緊都由液壓缸驅(qū)動(dòng)，在油路的布置和規(guī)劃中結(jié)合機(jī)械制造的基礎(chǔ)，不斷使油路符合制造的可行性，而且將油路布置成空間結(jié)構(gòu)，使機(jī)械手的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)潔和緊湊。關(guān)鍵字：關(guān)節(jié)型機(jī)械手 圓柱坐標(biāo) 液壓缸 可編程控制1AbstractIn this paper, the design of the joint-type robot using cylindrical coordinates of type, can be completed on the expected, inversion and other functions. Mainly by the manipulator hand, wrist, arm and body parts, etc., with rotating wrists, arms stretching, arm movements and arm rotation four degrees of freedom, able to meet the general requirements of the industry. The manipulator by the potentiometer position, the implementation of the control points, the control system using PLC programmable control, has a good generality and flexibility. The manipulator for the hydraulic-driven, four degrees of freedom and the clamping gripper driven by the hydraulic cylinder in the circuit layout and planning based on the combination of machinery manufacturing, and continuously so that the feasibility of manufacturing in line with the circuit, but also circuit layout into a spatial structure, so that the structure of manipulator more concise and compact. Keywords: joint-type robot cylindrical coordinates hydraulic cylinders PLC.2目 錄摘要 …………………………………………………………………………………iAbstract ……………………………………………………………………………ii1 緒論 ……………………………………………………………………… 11.1 研究目的及意義 ………………………………………………………… 11.2 本課題研究?jī)?nèi)容 ………………………………………………………… 22 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) ……………………………………………………… 32.1 工業(yè)機(jī)械手的組成 ……………………………………………………… 32.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) ………………………………………………………… 32.1.2 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) ……………………………………………………………42.1.3 控制系統(tǒng) ………………………………………………………… 42.2 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù) ………………………………………… 42.3 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖………………………………………………53 關(guān)節(jié)型機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) ……………………………………………63.1 手部 ………………………………………………………………………63.1.1 夾緊力的計(jì)算 ……………………………………………………63.1.2 夾緊缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 ………………………………………………73.1.3 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的夾持誤差分析與計(jì)算 ……………………83.1.4 夾緊缸的計(jì)算 ……………………………………………………103.2 腕部 ………………………………………………………………………113.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 ……………………………………………113.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 ……………………………………………123.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 …………………………………………143.3 臂部 ………………………………………………………………………153.3.1 手臂伸縮液壓缸 …………………………………………………153.3.2 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸 …………………………………………………234 機(jī)械手的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) …………………………………………………274.1 程序控制機(jī)械手的液壓系統(tǒng) ……………………………………………274.2 液壓系統(tǒng) …………………………………………………………………274.2.1 各液壓缸的換壓回路 ……………………………………………274.2.2 調(diào)速方案 …………………………………………………………284.2.3 減速緩沖回路 ……………………………………………………294.3 液壓系統(tǒng)的合成 …………………………………………………………295 機(jī)械手的可編程控制 ……………………………………………………315.1 輸入輸出觸點(diǎn)的分配 ……………………………………………………315.1.1 行程開(kāi)關(guān)的分配 …………………………………………………3135.1.2 手動(dòng)按鈕的分配 …………………………………………………315.1.3 輸入輸出繼電器的分配 …………………………………………325.2 外部接線圖 ………………………………………………………………325.3 控制面板設(shè)計(jì) ……………………………………………………………335.4 狀態(tài)控制圖 ………………………………………………………………345.5 梯形圖 ……………………………………………………………………35結(jié)論 …………………………………………………………………………………37致謝 …………………………………………………………………………………38參考文獻(xiàn) ……………………………………………………………………………391 緒論機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點(diǎn)是可通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，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)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。1.1 研究目的及意義工業(yè)機(jī)械手具有許多人類(lèi)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，滿足了社會(huì)化大生產(chǎn)的需要，其主要優(yōu)點(diǎn)如下：1.能代替人從事危險(xiǎn)、有害的操作。只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作。工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有強(qiáng)烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，應(yīng)推廣工業(yè)機(jī)械手或機(jī)器人。2.能長(zhǎng)時(shí)間工作，不怕疲勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來(lái)，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，而機(jī)械手只要注意維護(hù)、檢修，即能勝任長(zhǎng)時(shí)間的單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)。3.動(dòng)作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)又可避免人為的操作錯(cuò)誤。44.機(jī)械手特別是通用工業(yè)機(jī)械手的通用性、靈活性好，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。5.機(jī)械手能明顯地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。由于機(jī)械手在工業(yè)自動(dòng)化和信息化中發(fā)揮了以上巨大的作用，世界各國(guó)都很重視工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用在我過(guò)還屬于起步階段，就顯示出了許多的無(wú)法替代的優(yōu)點(diǎn)，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。近十幾年來(lái)，機(jī)械手的開(kāi)發(fā)不僅越來(lái)越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。1.2 本課題研究?jī)?nèi)容要求本設(shè)計(jì)能較鮮明地體現(xiàn)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)構(gòu)思。所謂機(jī)電一體化，是機(jī)械工程技術(shù)吸收微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)等而形成的一種新的綜合集成技術(shù)。盡管機(jī)電一體化的產(chǎn)品名目繁多，并由于它們的功能不同而有不同的形式和復(fù)雜程度，但做功的機(jī)械本體部分（包括動(dòng)力裝置）和微點(diǎn)自控制部分（包括信息處理）是最基本的、必不可少的要素。本設(shè)計(jì)要求完成以下工作：1、 擬定整體方案，特別是控制方式與機(jī)械本體的有機(jī)結(jié)合的設(shè)計(jì)方案。2、 根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部、腕部和臂部的結(jié)構(gòu)。3、 各部件的設(shè)計(jì)計(jì)算。4、 機(jī)械手工作裝配圖的設(shè)計(jì)與繪制。5、 液壓系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)與繪制。6、 編寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。52 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)2.1 工業(yè)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)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1 機(jī)械手的組成2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型(為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(pán)（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。2.腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動(dòng)，左右擺動(dòng)和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個(gè)運(yùn)動(dòng)。如有特殊6要求（將軸類(lèi)零件放在頂尖上，將筒類(lèi)、盤(pán)類(lèi)零件卡在卡盤(pán)上等），手腕還可以有一個(gè)小距離的橫移。也有的工業(yè)機(jī)械手沒(méi)有腕部自由度。3.臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是帶動(dòng)手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。手臂有三個(gè)自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動(dòng)和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高，在自由度較少時(shí)使用。圓柱坐標(biāo)占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)式占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動(dòng)力小，能抓取底面物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以也不常用。2.1.2 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。氣動(dòng)式速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。采用點(diǎn)位控制或機(jī)械擋塊定位時(shí)，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。液動(dòng)式的出力大，臂力可達(dá) 1000N 以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的是氣動(dòng)和液動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)式用于小型，機(jī)械式只用于動(dòng)作簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。2.1.3 控制系統(tǒng)有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷(xiāo)板進(jìn)行點(diǎn)位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計(jì)算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤(pán)、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。2.2 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)1.抓重： 300N2.自由度： 4個(gè)3.坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)74.手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)運(yùn)動(dòng)名稱 符 號(hào) 行程范圍 速 度伸 縮 X 400mm 小于250mm/s升 降 Z 300mm 小于70mm/s回 轉(zhuǎn) ψ 0°~210° 小于90 (°)/s5.手腕參數(shù)運(yùn)動(dòng)名稱 符 號(hào) 行程范圍 速 度回 轉(zhuǎn) ω 0°~180° 小于90 (°)/s6.手指夾持范圍：棒料，直徑50~70mm，長(zhǎng)度450~1200mm7.定位方式：電位器設(shè)定，點(diǎn)位控制8.驅(qū)動(dòng)方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）9.定位精度：±3mm10.控制方式：可編程控制2.3 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖經(jīng)過(guò)考慮，本設(shè)計(jì)的機(jī)械手設(shè)計(jì)成如下簡(jiǎn)圖形式：圖 2.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手83 關(guān)節(jié)型機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 手部手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來(lái)直接握持工件的部件，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(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)多種多樣，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而定的。歸結(jié)起來(lái)，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(lèi)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，這里只討論夾鉗式的手部結(jié)構(gòu)。 夾鉗式手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成的，它對(duì)抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤(pán)、套類(lèi)零件。一般情況下，多采用兩個(gè)手指。驅(qū)動(dòng)裝置為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)源有液壓的、氣動(dòng)的和電動(dòng)的等幾種形式。常見(jiàn)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)往往通過(guò)滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊或放松。 平移型手指的張開(kāi)閉合靠手指的平行移動(dòng)，適于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時(shí)，不會(huì)引起中心位置的偏移。但這種手指結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積大，要求加工精度高。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，工件是圓盤(pán)，所以采用回轉(zhuǎn)型手指，其張開(kāi)和閉合靠手指根部（以樞軸支點(diǎn)為中心）的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。樞軸支點(diǎn)為一個(gè)的，稱為單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型；為兩個(gè)支點(diǎn)的，稱為雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型。這種手指9結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形狀小巧，但夾持不同工件會(huì)產(chǎn)生夾持定位誤差。本設(shè)計(jì)要求抓取棒料，故采用夾鉗式手部。3.1.1 夾緊力的計(jì)算手指加在工件上的夾緊力，是計(jì)算手部的主要依據(jù)。必須對(duì)其大小、方向和作用力進(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） ，以及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：式中 K ——安全系數(shù)，通常取 1.2~2.0;1K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 可近似按下式估算K2=1+ ga其中 a—運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度； g—重力加速度，g ≈ 9.8m/s ;2a= 響tvmax——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度； t ——系統(tǒng)達(dá)到最高速maxv 響度的時(shí)間；根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取。一般取 0.03~0.5s。 K ——方位系數(shù)，根據(jù)手3指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定。G—被抓工件所受重力（N） 。3.1.2 夾緊缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算如圖是液壓夾緊裝置。手爪殼和缸殼連成一體，當(dāng)壓力油從液壓缸右邊油管進(jìn)油時(shí)，活塞桿向左移動(dòng)，推動(dòng)手爪閉合；當(dāng)壓力油從液壓缸左邊進(jìn)油時(shí)，拉動(dòng)手爪張開(kāi)。缸的拉力（或推力） （N）為：10pF）（拉 2dD4???推式中 D—活塞直徑（ ）;m——活塞桿直徑（ ）;d——驅(qū)動(dòng)壓力（ ） 。paP圖 3.1 液壓缸驅(qū)動(dòng)裝置3.1.3 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的夾持誤差分析與計(jì)算機(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)械手定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件確定） ，而且也與手指的夾持誤差有關(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，避免差生手指夾持的定位誤差，必須選用合理的手部機(jī)構(gòu)參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。圖 3.2 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指若把工件軸心位置 C 到手爪兩支點(diǎn)連線的垂直距離 CD 以 X 表示，根據(jù)幾何關(guān)系有：11對(duì)于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng) a 值較大時(shí)） ，偏轉(zhuǎn)角 β 的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時(shí)，兩手爪的BE 和 B′E′邊平行，抓不著工件。為了避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑 ，以∠BCD=90° 為條件確定兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角，即 β 為：－a）工件平均半徑取手指 為 2 倍的工件平均半徑=2 =2×30mm=60mm取 V 型夾鉗的夾角 2θ=120°，取 a=12mm則 －a） = =67.83°計(jì)算 = =60× =19.61mm ==|=|57.09-54.60|=2.49mm12因?yàn)轭}目要求定位精度為±3mm,所以設(shè)計(jì)滿足要求。設(shè)計(jì)結(jié)果：a=12mm=60mm2θ=120°==55.56mm3.1.4 緊缸的計(jì)算1、設(shè) =1.5， =1.05，工件垂直方向的移動(dòng)速度為 0.07 ，機(jī)械手達(dá)到最高速度的響應(yīng)時(shí)間為 0.5S，α=45°，則=1+ =1+ =1.01=1.5×1.01×1.05×3=477.23N2、驅(qū)動(dòng)力計(jì)算2209.57N3、取 η=0.85=2599.49N4、確定液壓缸直徑 D∵ 13選取活塞桿直徑 d=0.5D，壓力油工作壓力 p=30×∴D= 0.038m根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB1086—67）選取液壓缸內(nèi)徑為：D=40mm則活塞桿直徑為：d=40×0.5=20mm3.2 腕部手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是再臂部運(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，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕部件具有獨(dú)立的自由度。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或再增加一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作要求。目前，應(yīng)用最廣泛的手腕回轉(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)角度較小（一般小于 270 o），并且要求嚴(yán)格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此，在要求較大或轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條齒輪傳動(dòng)或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求1、力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于臂部的最前端，它連同手部的精、動(dòng)載荷均由臂部承受。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、綜合考慮，合理布局腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求以及具有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局。如應(yīng)解決好腕部與臂部和手部的連接，腕部各個(gè)自由度的位置檢測(cè)，管線布置，以及潤(rùn)滑、維修、調(diào)整等問(wèn)題。3、必須考慮工條件對(duì)于高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作的機(jī)械手，其腕部在設(shè)計(jì)是應(yīng)充分估計(jì)14環(huán)境對(duì)腕部的不良影響（如熱膨脹、壓力油的粘度惡化燃點(diǎn)，有關(guān)材料及電控元件的耐熱性等）。根據(jù)以上幾點(diǎn)，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出腕部的結(jié)構(gòu)如圖 3-2。其為典型腕部結(jié)構(gòu)中具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。直接用回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。圖 3.3 用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)1——回轉(zhuǎn)液壓缸 2——手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸 3——左進(jìn)油管 4——手部油管5——右進(jìn)油管 6——固定葉片 7——回轉(zhuǎn)軸 8——回轉(zhuǎn)葉片 9——缸體圖3.3所示的為腕部結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸，實(shí)現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從 B-B剖視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡(jiǎn)稱動(dòng)片）用螺釘、銷(xiāo)釘和轉(zhuǎn)軸 7 連接在一起，定片 6則和缸體 9 連接。壓力油分別由油孔 3、5 進(jìn)出油腔，實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動(dòng)片、定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于 270°），圖示液壓缸可以回轉(zhuǎn)±90°。15圖示手部的開(kāi)閉動(dòng)作采用單作用液壓缸，只需一個(gè)油管。通向手部驅(qū)動(dòng)液壓缸的油管是從回轉(zhuǎn)缸壁通過(guò)，然后通過(guò)一個(gè)環(huán)槽結(jié)構(gòu)包圍手部夾緊缸，腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，不論在哪個(gè)方位油路仍可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉(zhuǎn)。腕部用來(lái)和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉(zhuǎn)液壓缸）由手臂內(nèi)通過(guò)并經(jīng)腕部回轉(zhuǎn)缸壁分別進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸和手部驅(qū)動(dòng)液壓缸。3.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力。1、腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 一般為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取 =0.1 阻力矩2、克服由于工件重心偏置所需的力矩=式中 e——工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）。3、克服啟動(dòng)慣性所需的力矩啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度 ω 及啟動(dòng)所用時(shí)間 ，按下式計(jì)算或者根據(jù)腕部角速度 ω 及啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)過(guò)的角度φ啟按下式：式中 J工件 ——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N m ）；J ——手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N m ）；16ω ——手腕回轉(zhuǎn)過(guò)程的角速度（1/s）；t啟 ——啟動(dòng)過(guò)程中所需時(shí)間（s），一般取 0.05-0.3s；——啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（rad）。手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力矩相當(dāng)于上述三項(xiàng)之和。如果手腕回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ J+ ）不是很大時(shí)，手腕啟動(dòng)過(guò)程所產(chǎn)生的慣性力矩也不大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算可以將計(jì)算力矩 、 適當(dāng)放大，而省略掉 ，這時(shí))具體計(jì)算過(guò)程如下設(shè)：（1）手爪、手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件為一個(gè)等效圓柱體，高為30cm,直徑為20cm,其所受重力為G=400N。（2）摩擦阻力矩 =0.1（3）啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 =15 =0.262rad,等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω=90 =1.571求 = =0.204 N m= =4.362 N m17代入 21.506N m=0.1= 21.506N m3.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì)計(jì)算回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力距，為了使該機(jī)械手具有更好的通用性，以及與相應(yīng)的機(jī)構(gòu)尺寸相吻合，設(shè)回轉(zhuǎn)的基本尺寸如下：回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D=40mm輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑 d=10mm動(dòng)片寬度 b=45mm回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力 p=3M∴ 因?yàn)?，所以是符合要求的。3.3 臂部手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具） ，并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(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)。 臂部的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)（如液壓缸或氣缸）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等直接影響機(jī)械手的工作性能。18由本機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)可知該臂部分三部分：回轉(zhuǎn)缸、伸縮缸和俯仰擺動(dòng)液壓缸。回轉(zhuǎn)缸實(shí)現(xiàn)的是手臂旋轉(zhuǎn)，伸縮缸實(shí)現(xiàn)的是手臂升降，俯仰缸實(shí)現(xiàn)的是手臂的俯仰。3.3.1 手臂伸縮液壓缸3.3.1.1 伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)整體考慮，手臂作直線運(yùn)動(dòng)的部分設(shè)計(jì)為雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)，其圖如下：圖 3.4 雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)1——缸蓋 2——導(dǎo)向桿 3——活塞 4——缸體 5——活塞桿 6——導(dǎo)向套從圖中可較清楚地看到手臂伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)；導(dǎo)向桿 2 在導(dǎo)向套內(nèi)移動(dòng)，以防手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（小臂回轉(zhuǎn)，手腕回轉(zhuǎn)和手爪夾緊液壓缸用的輸油管道安裝在其內(nèi)）。19由于手臂的伸縮缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向管承受彎曲作用，活塞桿只受軸向的拉力和壓力，故大大減少了活塞桿的受力，使傳動(dòng)平穩(wěn)。3.3.1.2 手臂伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1.2.1作水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力式中 ——摩擦阻力。手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，為運(yùn)動(dòng)件表面的摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。——密封裝置處的摩擦阻力?！簤焊谆赜颓坏蛪河鸵核斐傻淖枇??！獑?dòng)或制動(dòng)時(shí)，活塞桿所受平均慣性力。1） 的計(jì)算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。圖 3.5 水平移動(dòng)液壓缸受力圖圖 3.5 為雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，其導(dǎo)向桿截面形狀為圓柱面，導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在伸縮缸的兩側(cè)，啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向裝置的摩擦阻力較大，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。20得 =0得 =∴式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工作重力） （N） ；L——手臂參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支承前端的距離（m）;a——導(dǎo)向支承的長(zhǎng)度（m） ；——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)。對(duì)于圓柱面：=（1.27~1.57）——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 =0.1~0.5鋼對(duì)鑄鐵：取 =0.18~0.3取 =0.2，設(shè)手爪、手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸所受重力為 G=400N，手臂伸縮液壓缸所受重力為 G=150N，則21=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，則=0.2×1.3×850( =442N2） 的計(jì)算 不斷密封圈其摩擦阻力不同，此處選用“Y”形密封圈。= pπdl式中 ——摩擦系數(shù)， =0.06~0.08P——密封處的工作壓力（ ） ；d——密封處的直徑（m）l——沿軸向的密封長(zhǎng)度，相當(dāng)于唇部的寬度（m） 。根據(jù)活塞桿的直徑選“Y”形密封圈型號(hào)為 B16407ACM，內(nèi)徑為 16mm，唇部寬度為 7mm，設(shè)密封處工作壓力為 2.5 ，則= pπdl=0.07×2.5× π×0.016×0.007=61.58N3） 的計(jì)算 一般背壓阻力較小，可按 =0.05p,此處忽略不計(jì)。4） 的計(jì)算0.7式中 ——參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（包括工件重量） （N） ；g——重力加速度，取 9.8m/ ;——由靜止加速到常速的變化量（m/s） ；——啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間（s） ，一般取 0.01~0.5s。22已知 =0.07m/s，取 =0.5s∴ = =12.14N手臂作水平直線運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為=12.14+442+61.58+0=515.72N3.3.1.2.2 手臂作升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力±G式中 ——摩擦阻力，如下圖所示。 =2 f，取 f=0.16G——零部件及工件所受總重力。其他阻力的計(jì)算與上相同，省略。注意，須按 h0.32ρ 計(jì)算不自鎖的條件。圖 3.6 手臂各部件重心位置圖3.3.1.3 伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸3.3.1.3.1 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算23圖 3.7 雙作用液壓缸示意圖如圖 3.7 所示，當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔當(dāng)油進(jìn)入有桿腔液壓缸的有效面積：固有（無(wú)桿腔）（有桿腔）式中 F——驅(qū)動(dòng)力（N） ；——液壓缸的工作壓力（ ） ；d——活塞桿直徑（m） ；D——液壓缸內(nèi)徑（m） ；——液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取 =0.95。由總體設(shè)計(jì)知，手臂在收縮是液壓油進(jìn)入的有桿腔，取 =0.95，則由于前面的手部和腕部的液壓缸內(nèi)徑都選的是 40mm，為了使該機(jī)械手具有24更好的通用性，這里也取 D=40mm。3.3.1.3.2 液壓缸壁厚計(jì)算初選壁厚 δ=5mm，則：因?yàn)?16 3.2 時(shí)屬于中等壁厚，所以該壁厚屬于中等壁厚，計(jì)算公式為：式中 ——液壓缸內(nèi)工作壓力（ ） ；——強(qiáng)度系數(shù)（當(dāng)為無(wú)縫鋼管時(shí) =1） ；C——讓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） 。該鋼臂為無(wú)縫鋼管，則=0.001mm所以選取的壁厚滿足條件。取標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑為 50mm，則壁厚為 5mm。3.3.1.3.3 塞桿的計(jì)算 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)度的要求。對(duì)于桿長(zhǎng) l 大于直徑 d 的 15 倍（即 l15d）的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。①按強(qiáng)度條件決定活塞桿直徑 d0.002m所以 d=16mm 是滿足要求的。②活塞桿的穩(wěn)定性校核 當(dāng)活塞桿 l15d 時(shí)，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。因?yàn)榇颂幓钊麠U長(zhǎng)度為 200mm，直徑為 16mm，200/1615，所以這里不用進(jìn)行活塞桿的穩(wěn)定性校核。3.3.1.3.4 螺釘?shù)挠?jì)算為了保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距 ，查表知，間距應(yīng)小于25100mm，設(shè)螺釘數(shù)目為 4 個(gè)。表 3.1 間距 與壓力 p 的關(guān)系工作壓力 （ ） 螺釘間距 （mm）0.1~1.5 1501.5~2.5 1202.5~5.0 1005.0~10.0 80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 和預(yù)緊力 之和式中 =F——驅(qū)動(dòng)力（N）Z——螺釘數(shù)目p——工作壓力（ ）——預(yù)緊力 =K K＝1.5~1.8D——危險(xiǎn)剖面直徑（m）螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為式中 ——計(jì)算載荷（N） ；抗拉許用應(yīng)力（單位為 ）n=1.2~2.526——螺紋內(nèi)徑（mm）——螺釘材料屈服極限設(shè)螺釘?shù)牟牧蠟?45 號(hào)鋼，查得 =360 ，經(jīng)過(guò)計(jì)算得 4.4mm，取螺釘型號(hào)為 M5。表 3.2 螺釘材料的屈服極限鋼號(hào) 10 Q215 Q235 35 45 40Cr210 220 240 320 360 650~9003.3.2 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸3.3.2.1 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)考慮，手臂回轉(zhuǎn)液壓缸設(shè)計(jì)成如下形式：圖 3.8 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸1——缸體 2——鍵 3——?jiǎng)悠?4——左油孔 5——定片 6——右油孔圖3.8所示的手臂結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從 A-A剖視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡(jiǎn)稱動(dòng)片）用鍵 2 和轉(zhuǎn)軸連接在一起，定片 5 和缸體 1用銷(xiāo)釘和螺釘連接。壓力油分別由油孔 4、6 進(jìn)出油腔，實(shí)現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動(dòng)片、定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來(lái)決定（一般小于 270°）。3.3.2.2 手臂回轉(zhuǎn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩27手臂回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力：1、回轉(zhuǎn)處的摩擦阻力 ，一般為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取 =0.12、啟動(dòng)慣性所需的力矩式中 ——手臂回轉(zhuǎn)部分對(duì)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nm ）——工件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Nm ）——手臂回轉(zhuǎn)過(guò)程的角速度（1/s）——啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（rad）具體計(jì)算過(guò)程如下：設(shè)：①手爪、手爪驅(qū)動(dòng)液壓缸、手腕回轉(zhuǎn)液壓缸以及手臂伸縮液壓缸等效為一個(gè)圓柱體，高 40cm，直徑為 20cm，其所受重力為 550N；②摩擦阻力矩 =0.1 ；③啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 =18°=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度=90 /s=1.57轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算為：在手腕部分已算過(guò)， （Nm ）28代入：=0.13.3.2.3 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力距，為了使該機(jī)械手具有更好的通用性，以及與相應(yīng)的機(jī)構(gòu)尺寸相吻合，設(shè)回轉(zhuǎn)的基本尺寸如下：回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D=40mm輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑 d=10mm動(dòng)片寬度 b=45mm回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力 p=3M∴ 因?yàn)?，所以是符合要求的。3.3.2.4 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算由于在計(jì)算手臂伸縮液壓缸過(guò)程中已經(jīng)行過(guò)缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，此處的計(jì)算與上面相同，故不再贅述。294 機(jī)械手的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓系統(tǒng)自 60 年代初到現(xiàn)在，已自機(jī)械手中獲得廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點(diǎn)是：動(dòng)力大、力（或力矩）慣性比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等。液壓系統(tǒng)在機(jī)械手中所起的作用是通過(guò)電—液轉(zhuǎn)換元件把控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，對(duì)液壓動(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)械手的手臂按給定的運(yùn)動(dòng)規(guī)律動(dòng)作。液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動(dòng)液壓缸。用于實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮升降以及手腕、手臂的回轉(zhuǎn)。4.1 程序控制機(jī)械手的液壓系統(tǒng)這類(lèi)機(jī)械手屬于非伺服控制機(jī)械手，在只有簡(jiǎn)單搬運(yùn)動(dòng)作業(yè)功能的機(jī)械手中，常常采用簡(jiǎn)單的邏輯控制裝置或編程控制，對(duì)機(jī)械手實(shí)現(xiàn)有限位的控制。這類(lèi)機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其它液壓機(jī)械設(shè)計(jì)所考慮的問(wèn)題大致相同，只是在以下方面須加以重視。1）液壓缸設(shè)計(jì)：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減少摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。2）定位點(diǎn)的緩沖與制動(dòng)：因機(jī)械手手臂的運(yùn)動(dòng)慣量較大，在定位點(diǎn)前要