XX 大學本科生畢業(yè)設計1第 1 章 概述機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡、和要求實現自動抓取，搬運或操作動作的自動化機械裝置。在工業(yè)中應用的機械手稱為“工業(yè)機械手” 。工業(yè)機械手由執(zhí)行系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)又可分為抓取，送放和機身三部分，如圖 1.1 所示1-執(zhí)行系統(tǒng) 2-控制系統(tǒng) 3-驅動系統(tǒng)a-手爪 b-手腕 c-手臂 d-機身 e-行走裝置圖 1.1 機械手的組成1.1 執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是直接握持物件實現所需的各種運動的機械部分，它包括以下機構（1）抓取機構 抓取機構又稱手部或手爪，是機械手直接與被抓取物件接觸并施加約束和加緊力的部分。（2）送放機構 送放機構是執(zhí)行系統(tǒng)中將被抓取物件送放到目的地的機械部分。它主要由手臂、手腕、行走裝置等部分組成。手臂是用來支撐腕部和手部并改變被送放物件的空間位置的。它是機械手的主要運動部件。手腕主要是用來調整和改變被送放物件的方位，并連接手臂和手指。行走裝置的主要作用是擴大機械手的送放范圍，以適應遠距離操作的需要。（3）機身 機身是機械手中用來支撐送放機構的部件，也是安裝驅動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的基礎部件。1.2 驅動系統(tǒng)XX 大學本科生畢業(yè)設計2機械手的驅動系統(tǒng)是為執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。驅動系統(tǒng)可分為液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等多種形式。液壓驅動系統(tǒng)主要由油泵，油缸，油壓閥機管路組成。1.3 控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的功用是通過對驅動系統(tǒng)的控制使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，并檢測其工作位置正確與否。它主要包括程序控制和位置檢測等部分.程序控制裝置指揮機械手按規(guī)定的程序進行運動,并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序,運動軌跡,運動速度,運動時間等),同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令,必要時它還可對機械手的動作進行監(jiān)視,當動作有錯誤或發(fā)生故障時,即發(fā)出報警信號.信息檢測裝置主要用來控制機械手執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置,并隨時竟執(zhí)行系統(tǒng)的實際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設定的位置進行比較,然后通過控制系統(tǒng)進行調整,從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達到設定位置.XX 大學本科生畢業(yè)設計3第 2 章 方案設計及主要參數的確定2.1 方案設計根據課題要求，機械手需要具備上料、翻轉和轉位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產節(jié)拍和生產綱領完成以上動作，因此可采用以下多種設計方案。（1）直角坐標系式，自動線成直線布置，機械手空中行走，順序完成上料、翻轉、轉位等功能。這種方案結構簡單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，這使設計復雜程度增加，運動質量增大。（2）機身采用立柱式，機械手側面行走，順序完成上料、翻轉、轉位等功能，自動線仍呈直線布置。這種方案可以集中設計液壓站，易于實現電氣、油路定點連接，但占地面積大，手臂懸伸量較大。（3）機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉、轉位等功能。這種案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工件等優(yōu)點，但配線要求較高。本設計擬采用第三種方案，如圖（1）所示。這是一種球坐標式機械手，具有立柱旋轉⌒z、手臂伸縮→x、手臂俯仰⌒y、腕部轉動⌒x 和腕部擺動⌒y 五個自由度。XX 大學本科生畢業(yè)設計4圖 2.1 球坐標式機械手2.2 主要參數的確定（1）抓取重量 15kg（2）坐標形式和自由度 坐標形式為球坐標式，有五個自由度。（3）工作行程工作行程由已知條件及方案分析確定：最大工作半徑 1500mm；手臂最大中心高 1000mm；手臂水平中心高 700mm；手臂伸縮行程 450mm；手臂回轉范圍：φ=0～270○；手腕回轉范圍：翻轉 θ=0～180○；腕部擺動范圍：轉位 α=0～90○；手臂上下擺動角度：β=0～60○。（4）運動速度直線運動速度：手臂伸縮行程 l=450mm，運動時間 t=2s，則手臂伸縮速度為：v= =0.45/2=0.225m/s；tl回轉運動速度：定為 60○/s。（5）驅動方式驅動方式采用液壓驅動的方式。由于機械手操作時各缸不同時工作，手臂伸縮缸和手臂回轉缸所需的流量大，其余各缸所需的流量均較小，因此可選用雙聯葉片泵。在小流量時，只需高壓小流量供油，大流量低壓泵卸荷；在大流量時，兩泵同時供，這樣可以減少系統(tǒng)功率損失，防止油溫升高。（6）定位精度定位采用機械擋塊定位，定位精度為 0.5～1mm。（7）控制方式采用行程控制系統(tǒng)實現點位控制。XX 大學本科生畢業(yè)設計5第 3 章 抓取機構的設計3．1 抓取機構結構形式的確定抓取機構的結構形式主要決定于工件的形狀和質量，本課題的抓取工件為250×170×140mm 的箱式零件，因此采用平行連桿杠桿式手部結構較為合適。夾緊裝置為常開式，當夾緊液壓缸通油時，推動活塞帶動杠桿機構合攏將工件夾緊。當夾緊液壓缸斷油時，活塞桿通過彈簧復位，手爪張開。3．2 夾緊力（握力）的確定當用不同的手部機構夾緊同一種工件時，由于各手部機構的增力倍數不同，所需拉緊油缸的驅動力也不同。當手部機構選定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置） ，鉗爪的受力狀態(tài)不一樣，因而所需拉緊油缸的驅動力也不一樣。下圖（2）為兩鉗爪式手部機構，由于驅動力 P 使一對平行鉗口對被夾持的工件產生兩個作用力 N，當忽略工件重量時（即相當于夾緊一塊握力表） ，這兩個力大小相等，力 N 稱為由驅動力 P 產生的夾緊力。圖 3.1 夾緊力現引入一個稱為“當量夾緊力”的概念，所謂當量夾緊力，就是指把重量為 G的工件，按某一方位夾緊可以求得其拉緊油缸具有的最小驅動力，這個最小驅動力所能產生的夾緊力，就稱為工件在這個方位的當量夾緊力。當量夾緊力的數值與具體的手部機構方案無關。只與工件的重量 G 和它相對與鉗爪的放置方位有關。證明如下：（1）首先求驅動力 P 與夾緊力 N 的關系。當驅動力推動活塞桿移動一小段距離dy 時，兩個鉗爪都相應產生一微小轉角 dθ，依據虛功原理，驅動力 P 所做功（Pdy）和夾緊力 N 所做功應相等，即?bddy??XX 大學本科生畢業(yè)設計6N= ?bdPy2（3.1）（2）當量夾緊力與工件重量之關系。當鉗爪水平夾緊重為 G 的工件時，根據工件的平衡條件∑F=0 可得R1=R2+G可以看出，上下鉗爪對工件的夾緊力并不相等，且隨驅動力的增大而增大，但R1 和 R2 的差值永遠為工件之重量 G，如 R2=0，R1=G，驅動力最小。這個最小驅動力可以由下述方法求出： ?bdRdyP21'??將 R1=G，R2=0 代入上式得dyGP?'（3.2）由 所產生的夾緊力 ，即當量夾緊力。將（2.2）式代入（2.1）式得'P'N212'' dybdybp????（3.3）從計算結果可以看出，當量夾緊力 與具體的手部結構方案無關。不同的手部'N機構的增力倍數特性 不一樣，而當量夾緊力與 無關，只與工件的重量和它相dy?dy對于鉗爪的放置方位無關。由課題要求可知，本機械手水平夾持懸伸工件，示意如圖 3.2圖 3.2 握力示意圖查表得進行握力計算：XX 大學本科生畢業(yè)設計7N= （3.4）GHL???????213式中 N——夾持工件時所需的握力；G——工件的重量，G=15kg=150N；L、H——尺寸，L=50mm，H=80mm。將上述數值代入得N= N25.36102853????????? 考慮到工件在傳送過程中還會產生慣性力、振動以及受到傳力機構效率等的影響，故而實際握力還應按以下計算：N 實 ≥ ?21KN?（3.5）式中，η——手部的機械效率，一般 η=0.85～0.95；k1——安全系數，一般取 k1=1.2～2；k2——工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，按下式估算：k2=1+α/g，其中，α 為被抓取工件傳送過程中的最大加速度，g 為重力加速度。若取 η=0.9；k1=1.5；k2 按 α= g/2 計算，k2=1+α/g=1.5，則N 實 ≥ =356.25×1.5×1.5/0.9≈890N?21K?3.3 夾緊缸驅動力的計算抓取機構產生的握力是通過驅動裝置產生的驅動力經傳動機構傳遞而得到的。如圖 3.3 所示為夾緊缸受力分析簡圖，圖中 P 為驅動力，N 實為握力。由圖 3.4 和圖3.5 的受力分析可得P=2Rsinα （3.6）Rh=LCD R|因為 h=l BCcosδ=l BCcos(180○ -β-γ+α)= lBCcos(β+γ-α) （長度取正值）R|= N 實 cosβXX 大學本科生畢業(yè)設計8所以 P=2Rsinα= 實NlBCD???)cos(in2???由結構設計，確定 α=10 ○ ，γ=120 ○ ，β=50 ○ ，l CD=130mm，l BC=36mm，代入上式得（長度取正直）N763890936.042172???圖 3.3 夾緊缸受力分析簡圖P實δ βγ圖 3.4 圖 3.5XX 大學本科生畢業(yè)設計93.4 夾鉗式抓取機構的定位誤差分析圖 3.6 所示的為一支點回轉型手指的示意圖。圖示情況為分別夾持兩種不同直徑的工件時的情況。其中， 為手指長度，即手指的回轉中心 A 到 V 形槽頂點 B 之ABl間的距離； 為 V 形槽的夾角； 為偏轉角，即 V 形槽的角平分線 BC 與手指 AB 間?2?的夾角；R 為工件的半徑。圖 3.6工件的中心 C 與手指的回轉中心 A 之間的距離 x 可由下式求得： ????cosin2sincos222 ?????????????????? RlRlllx ABBBCABA將上式整理后得????222 sicosisin1ABABllx?或 ????1sincsin22 ???ABABlRlx此式為雙曲線方程，其曲線如圖 3.7 所示。圖中曲線表示了 X 隨 R 變化的關系，而且 X 的變化是以 R0 為分界線左右對稱的。當工件的半徑由 Rmax 變化到 Rmin 時，X 的最大變化量即為定位誤差 ，其值為?XX 大學本科生畢業(yè)設計10?????? cosinm2sincosinmax2sinax22 ??????????????????????????????? RlRlRlRl ABABABAB圖 3.7在設計手指時，只要給定手指的長度 ，選取合適的偏轉角 β，即可根據工件ABl的最大直徑 Rmax 和最小直徑 Rmin 確定定位誤差。為了減少定位誤差，可加大手指的長度，會使結構增大，重量增加。另外，選擇最佳的偏轉角 β，也可使定位誤差最小。當 R 等于平均半徑 Rm 時，定位誤差最小，此時??????????2minaxRelRlRl lll ABABAB ???sincosin2sin iiaximi22 ?????????????????式中， ——最佳偏轉角。e?3．5 夾緊液壓缸主要尺寸的確定3.5.1 液壓缸內徑 D 的計算由單桿活塞式液壓缸的推力公式：（3.7）1pAF?式中， ——液壓缸的推力(N)； 1Fp——系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5Mpa=2.5N/mm 2；XX 大學本科生畢業(yè)設計11——活塞的作用面積（mm 2）1A=1A24D?D——活塞直徑（mm） 。推導得出：D=1.13 （3.8）mpF?1式中， ——驅動力，即液壓缸的實際工作載荷（N） ；1Fp——系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5Mpa=2.5N/mm 2；ηm——機械效率，一般取 ηm=0.95；D——液壓缸內徑（mm） 。將上述數值代入得D=1.13 m25.09.52763??按 GB/T2348-1993 標準系列直徑圓整，取 D=32mm。3.5.2 活塞桿直徑 d 的計算根據速度比的要求來計算活塞桿直徑 d（3.9）?1??D式中 ，d——活塞桿直徑（mm） ；D——液壓缸直徑（mm） ；——速度比：?212dDv???——活塞桿的縮入速度（mm/min） ；2v——活塞桿的伸出速度（mm/min） 。1液壓缸的往復運動速度比，與系統(tǒng)工作壓力的關系如下 表 3.1工作壓力 p/MPa ≤10 12.5～20 ＞20速度比 φ 1.33 1.46；2 2由于本次設計的液壓系統(tǒng)工作壓力為 2.5MPa，故選用速度比 φ 為 1.33。XX 大學本科生畢業(yè)設計12不同速度比時活塞桿直徑 d 和液壓缸內徑 D 的關系如下 表 3.2：φ 1.15 1.25 1.33 1.46 2d 0.36D 0.45D 0.5D 0.56D 0.71D按 GB/T2348-1993 標準系列直徑圓整，取 d=14mm。3.5.3 液壓缸壁厚 δ 的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算：（3.10）????2Dp?式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm） ；——試驗壓力（MPa） ，工作壓力 p≤16MPa 時， =1.5p；工作壓力p pp≥16MPa 時， =1.25p，由于本次設計的液壓系統(tǒng)壓力為 2.5MPa，故=1.5×2.5=3.75Mpa；pD——液壓缸內徑（mm） ；——缸材料體的許用應力（MPa）：?????nb??——缸體材料的抗拉強度（MPa） ；bn——安全系數，n=3.5～5，一般取 n=5。對于：鍛鋼 =100～120 MPa???鑄鋼 =100～110 MPa鋼管 =100～110 MPa鑄鐵 =60 MPa??現 選用鑄鐵材料， =60Mpa。??將以知數據代入上式得 m1602375.???因結構設計需要，取 =10mm。3.5.4 液壓缸外徑 D0及長度 l 的計算 52=10+3 2=0?L≤（20～30）D0，由結構需要確定，取 l=60mm。3.5.5 液壓缸行程 S 的確定XX 大學本科生畢業(yè)設計13根據課題要求以及機構的運動要求按 GB/T2349-1980 標準系列確定液壓缸活塞行程為 450mm。第 4 章 送放機構的設計4.1 概述（1）送放運動改變被抓取物體的位置和方向，并將其送放到一定的目的位置上，這一運動過程稱為送放運動。送放運動是機械手或機器人或機器人最主要的運動，包括手臂、手腕和行走裝置的運動，但不包括機械手或機器人手爪抓取物體的動作。因此，抓取動作只具有抓取功能，不能改變被抓取物的位置和方向，因而不是送放運動。送放運動又可分為主運動和輔運動兩部分，手臂的運動為主運動，手腕的運動和整機的行走運動為輔運動。主運動決定送放運動的空間范圍的形狀和性質，輔運動可擴大送放運動或改變被送放物體在空間的方位。（2）送放范圍機械手或機器人將被抓取的物體送放到某一位置，其所能達到的空間范圍稱為機械手或機器人的送放范圍。當送放位置為一點時，稱為點位送放；當送放位置在一個確定的表面內（如矩形面、扇形面、圓柱面）時，這樣的送放范圍稱為面位送放；當送法的位置在一個確定的空間體內（如長方體、圓柱體、球體、多球體）時，這樣的送放范圍稱為體位送放。點位送放、面位送放、體位送放均由主運動的運動形式、自由度及其組合來決定。（3）送放圖形送放范圍可用送放圖形（送放運動的軌跡或空間的形狀及大?。﹣砻枋?。點位送放的送放位置為確定的點，其主運動只有一個自由度。其運動形式為直線運動時，送放圖形為一直線；為回轉運動時，送放圖形為一圓??；為復合運動，送放圖形為一空間曲線。面位送放，其送放圖形為一確定的表面，由兩個參變量決定，故主運動需要兩個自由度。其送放圖形為三種不同的情況：兩個直線運動組合，送放圖形為一矩形面；兩個回轉運動組合時，送放圖形為一圓弧面；一個直線運動和一個回轉運動組合時，送放圖形為一扇形面（如手臂伸縮和手臂回轉組合）或圓柱面（如手臂升降和手臂回轉組合。體位送放，其送放圖形為一個確定的空間體，故主運動有三個自由度。其送放XX 大學本科生畢業(yè)設計14圖形也有幾種不同的情況：三個直線運動組合時，送放圖形為一空間立方體；兩個直線運動和一個回轉運動組合時，送放圖形為一空間圓柱體；兩個回轉運動和一個直線運動組合是，送放圖形為一空間組合體；三個回轉運動組合時，送放圖形為空間球體或多球體。（4）送放運動的自由度送放運動具有的獨立運動參數的數目，即送放運動的自由度，亦即機械手或機器人的自由度。它等于主運動自由度數和輔運動自由度數之和。一般情況下，主運動有 1～3 個自由度：當主運動有 1 個自由度時，送放圖形為點位送放；當主運動有2 個自由度時，送放圖形為面位送放；當主運動有 3 個自由度時，送放圖形為體位送放。如果采用多關節(jié)的送放機構，則機械手的主運動自由度數還可以增加，但其結構非常復雜，故實際應用不多。此時，宜采用增設輔運動的方法來增加機械手的功能，如增加腕部的平移或整機的行走運動以擴大送放范圍，或增設腕部的回轉和擺動運動以改變被送放物的方位。機械手有幾個自由度就說明有幾個送放運動。自由度越多，送放動作也越多，則機械手越靈活，其送放范圍也越大，但機械手也越復雜。本次所設計的機械手的送放機構共有 5 個自由度，即主運動有 3 個自由度（手臂的伸縮、回轉、俯仰） 、輔助運動有 2 個自由度（腕部的回轉、擺動） ，為體位送放，全部采用液壓驅動，分別由兩個直動液壓和三個回轉液壓缸來實現。機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖如下圖 4.1 所示：圖 4.1 液壓系統(tǒng)的工作原理圖XX 大學本科生畢業(yè)設計154.2 液壓系統(tǒng)主要參數的確定4.2.1.液壓缸工作載荷的確定R= Rt+Rf Rm （4.1）?Rt=Rw Rg （4.2）式中，R——液壓缸的工作載荷；Rw——液壓缸軸線方向上的外作用力；Rg——液壓缸軸線方向上的重力；Rf——運動部件的摩擦力；Rm——運動部件的慣性力。非標準機械的液壓缸設計，按實際計算出工作壓力后，還應符合液壓缸額定工作壓力系列標準規(guī)定（JB2183-77） ，本設計確定的系統(tǒng)工作壓力為 2.5Mpa。4.2.2.液壓缸推力的確定當液壓缸工作壓力確定之后，即可計算出液壓缸的推力。對于活塞式液壓缸，液壓缸的推力為P=pA （4.3）式中，p——系統(tǒng)的工作壓力；A——活塞的有效工作面積。XX 大學本科生畢業(yè)設計164.2.3.液壓缸流量的計算液壓缸的工作流量為q=Av （4.4）式中，v——液壓缸或活塞桿的速度；A——液壓缸的有效工作面積。因此，只要確定出液壓缸的直徑 D，就可求出活塞或液壓缸的有效工作面積，從而可求得液壓缸的推力和流量?；蛘撸鶕鞲椎膶嶋H工作載荷 P，先求出活塞或液壓缸的有效工作面積 A，再確定各缸的直徑 D。4.2.4.液壓缸基本尺寸的確定（1）活塞缸直徑 D 的確定無桿腔工作時：D= （4.5）)()(42121pdPRm???有桿腔工作時：D= （4.6）)()(42121pdm?式中， ——系統(tǒng)的工作壓力， =2.5Mpa；1PP——回油腔的壓力；2——機械效率，一般取 =0.95；m?m?——液壓缸的工作載荷；R——活塞桿的直徑。d按上式計算后，還應按 JB2183-77 取規(guī)定系列的直徑值。（2）活塞桿直徑 d 的確定活塞桿直徑可按工作壓力確定，對于常用速比的液壓缸也可根據已定的缸徑 D查下表：液壓缸工作壓力（MPa） ≤5 5～7 ＞7活塞桿直徑 d （0.5～0.6）D （0.6～0.7）D 0.7D另外，當液壓缸速度在 6～10 m/s 左右時，也可按活塞往返的工作速度之比來確定活塞桿直徑：d=D ，其中 =?1?12v速比 與工作壓力有如下關系：?工作壓力（MPa ） ≤1.0 1.2520 ＞20速比 1.33 1.46～2 2（3）液壓缸壁厚 δ 的確定XX 大學本科生畢業(yè)設計17δ= ???2Dp式中， ——試驗壓力；pD ——液壓缸直徑；——缸體材料的許用應力。???（4）液壓缸外徑 D0 及長度 l 的確定D0=D+2δl≤（20～30）D 0缸體長度 l 根據上式由活塞行程來確定，并注意缸體的制造工藝性和經濟性。4.3 機械手的腕部設計4.3.1 腕部結構形式的確定工業(yè)機器人的腕部是聯接手部與臂部的部件，起支承手部的作用，為了使手部處于空間任意方向，要求腕部能實現對空間三個坐標軸 X、Y、Z 的轉動，即具有回轉、俯仰和擺動三個自由度。腕部實際所具有的自由度數目應根據機器人的工作性能要求來確定。在多數情況下，腕部具有兩個自由度：回轉和俯仰或擺動。一些專業(yè)機械手甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動自由度。本機械手腕部具有兩個自由度，因此采用兩個回轉油缸，即回轉和擺動，且回轉范圍為 0～180 ○ ，擺動范圍為 0～90 ○ ?；剞D油缸和擺動油缸的結構圖分別如圖4.2 和圖 4.3 所示： ecd圖 4.2XX 大學本科生畢業(yè)設計18圖 4.34.3.2 腕部回轉缸驅動力矩的計算實現上述運動的驅動力必須克服腕部啟動時所需的慣性力矩、腕部回轉軸與支承處的摩擦力矩、動片與缸壁和端蓋等處密封裝置的摩擦力矩，以及由于轉動部件重心與轉動軸心線不重合所產生的偏重力矩，圖 4.4 所示為腕部受力分析。圖 4.4腕部轉動時必須克服三種力矩—— 、 和 ，故手腕的回轉力矩 M 至摩M偏 慣少應為：（4.7））（慣偏摩 mN???考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取??）（慣偏摩 2.1XX 大學本科生畢業(yè)設計19式中，M——驅動力矩；M 慣——慣性力矩；M 偏——參與轉動的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回轉缸動片等）對轉動軸線所產生的偏重力矩；M 摩——腕部回轉與支承處的摩擦力矩；以上各力矩的分析計算如下：1）腕部加速運動時所產生的慣性力矩 M 慣若手部啟動時按等加速運動，角速度為 w，啟動過程所用的時間為 ，啟動過t?程所轉過的角度為 ，則??tJ????）（慣 1或 ?????21）（慣 JM（4.8）式中，J——腕部參與轉動的各部件對回轉軸的轉動慣量；J1——工件對腕部回轉軸的轉動慣量；——腕部轉動的角速度；?——啟動過程所需的時間，一般為 0.01～0.5（s） ，這里取 0.1；t?——啟動過程所轉過的角度。?若工件的重心與回轉軸不重合，則轉動慣量為（4.9）211egGJc??式中， ——工件對重心軸線的轉動慣量；Jc——工件的重量；1G——工件重心到回轉軸的偏心距；eg——重力加速度。本機械手腕部參與轉動的各部件的轉動慣量如下：回轉軸：對其重量進行估算，定小直徑段為 ，大直徑段為 ，即1G2??NGhgr 864.0916410254.3108.7 15.3232 32321 ???????????????????查表得其轉動慣量為XX 大學本科生畢業(yè)設計20??2622221 104.015.8.96405.8.91 mkgRgG ???????????????????? ?連接板：對其重量進行估算，即 ??Nhr 73.0102614.30.73232 ???????????????查表得其轉動慣量為 ????262221 10.0.75.89mkgRgG??????液壓缸：對其重量進行估算，即 ??Nhr 2.158.9041254.310.73232 ??????????????查表得其轉動慣量為 ??2622 105.807.895mkgRgG???手爪：對其重量進行估算，即 ??Nhr 6.258.9107102784.310.73232 ???????????????查表得其轉動慣量為 2622 10.9803.8965mkgRgG????故腕部參與轉動的各部件的轉動慣量和為： ????266.241.56.20.1.4J k???? ??工件對腕部回轉軸的轉動慣量為： ??222222 .1.017.5.08911 mkgcbagGJ ????由以上計算得腕部加速運動時所產生的慣性力矩為： ????N????7.14.032.064.M?慣2）腕部轉動時在軸頸處的摩擦力矩 M 摩?121dRfBA?摩XX 大學本科生畢業(yè)設計21式中，d1、d2——腕部軸頸的直徑（參見圖 10） ；f——軸承的摩擦系數，對于滾動軸承，f=0.01，對于滑動軸承，f=0.1；RA、R B——軸頸處的支撐反力。按腕部轉動軸的受力分析求解 RA 和 RB。根據 ，得??0??FMA123lGl??即 NlGRB 61065.032.78.150321 ???????同理，根據 ，得??0?FM??????NlllGA 8.37065. 02.65.0.265.278.15031 ?????????式中， 、 、 ——工件、手部、腕部的重量；123、 、 、 ——尺寸，見圖 10。ll故 ????mNdRfMBA ???????? 013.5.6105.83701.2212摩3）工件重心偏置引起的偏重力矩 M 偏M 偏 =G1e （4.10）式中，G1——工件重量（N） ；e——偏心距。由于本課題的工件為 250×170×140mm 的箱式零件，即為對稱的零件，因此工件重心與手腕回轉中心線重合，也就是偏心距為零，故 M 偏為零。因此腕部轉動時所需的驅動力矩為： ????）（慣偏摩 mNM M??????? 6.17.4013.22.1又腕部回轉缸的驅動力矩 M 與回轉缸的壓力 p 的關系為：（4.11）2rRb?式中，M——回轉缸的驅動力矩；XX 大學本科生畢業(yè)設計22P——回轉缸的工作壓力；R——缸體內壁半徑；r——輸出軸半徑；b——動片寬度。上述驅動力矩 M 與壓力 p 的關系式是對應與壓力腔的背壓為零時的情況而言的，若低壓腔有一定的背壓，則 P 為工作壓力與背壓的差值。4.3.3 腕部回轉液壓缸尺寸的確定1）液壓缸內徑的確定由上式腕部回轉缸的驅動力矩 M 與回轉缸的壓力 p 的關系推導得缸體內壁半徑為； mrPb86.25.125.06172R3?????其中輸出軸半徑 r 由結構設計定為 12.5mm。查表按標準系列圓整，取 R=32.5mm，即回轉液壓缸內徑為 65mm。2）液壓缸壁厚 δ 的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算：（4.12）????2Dp?式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm） ；——試驗壓力（MPa） ，工作壓力 p≤16MPa 時， =1.5p；工作壓力p pp≥16MPa 時， =1.25p，由于本次設計的液壓系統(tǒng)壓力為 2.5MPa，故p=1.5×2.5=3.75Mpa；pD——液壓缸內徑（mm） ；——缸材料體的許用應力（MPa）：???（4.13）??nb??——缸體材料的抗拉強度（MPa） ；b?n——安全系數，n=3.5～5，一般取 n=5。對于：鍛鋼 =100～120 MPa??鑄鋼 =100～110 MPaXX 大學本科生畢業(yè)設計23鋼管 =100～110 MPa???鑄鐵 =60 MPa現 選用鑄鐵材料， =60Mpa。???將以知數據代入上式得 m03.2657.3???因結構設計需要，取 =17.5mm。3）液壓缸外徑 D0 及寬度 b 的計算 10=5.72+ D=0?b≤（20～30）D0，由結構需要確定，取 b=30mm。4）回轉液壓缸回轉行程的確定由方案設計可知，腕部回轉行程 0～180 ○ ，其結構形式見圖 4.2。4.3.4.腕部擺動缸驅動力矩的計算與回轉液壓缸的計算類似，腕部擺動時也必須克服三種力矩—— 、 和摩M偏，故手腕的擺動力矩 M 至少應為：慣M）（慣偏摩 mN???同樣考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可?。?.14）??）（慣偏摩 2.1式中，M——驅動力矩；M 慣——慣性力矩；M 偏——參與轉動的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回轉缸動片等）對轉動軸線所產生的偏重力矩；M 摩——腕部擺動與支承處的摩擦力矩；以上各力矩的分析計算如下：1）腕部加速運動時所產生的慣性力矩 M 慣若手部啟動時按等加速運動，角速度為 w，啟動過程所用的時間為 ，啟動過t?程所轉過的角度為 ，則??tJ????）（慣 1或 ?????21）（慣 JM（4.15）式中，J——腕部參與轉動的各部件對回轉軸的轉動慣量；XX 大學本科生畢業(yè)設計24J1——工件對腕部回轉軸的轉動慣量；——腕部轉動的角速度；?——啟動過程所需的時間，一般為 0.01～0.5（s） ，這里取 0.2；t?——啟動過程所轉過的角度。?若工件的重心與回轉軸不重合，則轉動慣量為（4.16）211egGJc??式中， ——工件對重心軸線的轉動慣量；Jc——工件的重量；1G——工件重心到回轉軸的偏心距；eg——重力加速度。由腕部回轉運動計算可知，腕部參與轉動的各部件對回轉軸的轉動慣量相對工件對腕部回轉軸的轉動慣量要小的多，因此在此僅計算工件對腕部回轉軸的轉動慣量。工件對腕部回轉軸的轉動慣量為： ??????22222 4.1.017.5.08911 mkgcbagGJc ???????由于擺動液壓缸工作時，工件的重心與回轉軸不重合，則由以上分析得轉動慣量為 ??22211 4.6.054. mkgegGJc ??????由以上計算得腕部加速運動時所產生的慣性力矩為： ??mN???75.2.034M?慣2）腕部轉動時在軸頸處的摩擦力矩 M 摩腕部轉動時在軸頸處的摩擦力矩公式為（4.17）??121dRfBA??摩由由腕部回轉運動計算可知，腕部轉動時在軸頸處的摩擦力矩相對與其他力矩要小的多，故此不在計算。3）工件重心偏置引起的偏重力矩 M 偏XX 大學本科生畢業(yè)設計25M 偏 =G1e （4.18）式中，G1——工件重量（N） ；e——偏心距。由于腕部擺動時，工件的重心與回轉軸不重合，故存在偏心力矩 ??mNeG????9.64.015偏因此腕部轉動時所需的驅動力矩為： ????）（慣偏慣偏摩 mNM M ?????? 6.9875.2.1.2.2.14.3.5.腕部擺動液壓缸尺寸的確定1）液壓缸內徑的確定由上式腕部回轉缸的驅動力矩 M 與回轉缸的壓力 p 的關系推導得缸體內壁半徑為； mrPb4.531305.26982R2?????其中輸出軸半徑 r 由結構設計定為 15mm。查表按標準系列圓整，取 R=55mm，即回轉液壓缸內徑為 110mm。2）液壓缸壁厚 δ 的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算：（4.19）????2Dp?式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm） ；——試驗壓力（MPa） ，工作壓力 p≤16MPa 時， =1.5p；工作壓力p pp≥16MPa 時， =1.25p，由于本次設計的液壓系統(tǒng)壓力為 2.5MPa，故p=1.5×2.5=3.75Mpa；pD——液壓缸內徑（mm） ；——缸材料體的許用應力（MPa）：???（4.20）??nb??——缸體材料的抗拉強度（MPa） ；bn——安全系數，n=3.5～5，一般取 n=5。對于：鍛鋼 =100～120 MPa???XX 大學本科生畢業(yè)設計26鑄鋼 =100～110 MPa???鋼管 =100～110 MPa鑄鐵 =60 MPa現 選用鑄鐵材料， =60Mpa。?????將以知數據代入上式得 m43.602175.3???因結構設計需要，取 =30mm。3）液壓缸外徑 D0 及寬度 b 的計算 170=3+1 D=0?b≤（20～30）D 0，由結構需要確定，取 b=100mm。4）回轉液壓缸回轉行程的確定由方案設計可知，腕部擺動行程 0～90 ○ ，其結構形式見圖 4.3。4.4 機械手的手臂和機身的設計4.4.1. 手臂和機身結構形式的確定手臂部件（簡稱臂部或手臂）是機械手的主要執(zhí)行部分，其作用是支承手腕及抓取機構（包括被抓取的工件或工具） ，有時其他一些裝置如傳動機構或驅動裝置也安裝在手臂上。機身則直接支承和帶動手臂部件，并實現手臂的回轉、升降、俯仰等運動。因此，手臂的送放運動越多，機身的結構和受力狀況也越復雜。設計手臂和機身時應注意以下幾個問題：1）剛度剛體是指手臂和機身在外力作用下抵抗變形的能力。由于機械手的手臂一般都要懸伸（水平或垂直懸伸） ，因而手臂和機身的剛度十分重要。手臂的懸伸量越大，剛度越差，而且剛度歲懸伸距離的變化而不斷變化，因而懸伸量對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力都有很大的影響。為了提高手臂的剛度，除了盡量縮短手臂的懸伸量外，還應合理地選擇使手臂抗彎扭能力強的手臂截面形狀，并合理地確定手臂的壁厚和材質，以及合理地布置受力構件的位置和方向。2）精度機械手的精度最終反映在手部的位置精度上，在很大程度上取決與手臂和機身的精度。影響手臂和機身的精度的因素較多，主要有本身的剛度、手部和腕部與手臂的連接剛度，以及手臂和機身運動的導向裝置和定位裝置的精度等。3）平穩(wěn)性手臂和機身的質量較大，其運動速度和負荷也較大，因而產生的沖擊和振動也較大。因此，它們的工作平穩(wěn)性十分重要，將直接影響到機械手的工作質量和壽命，XX 大學本科生畢業(yè)設計27在設計時應予以足夠的重視。在設計時除了力求結構合理、緊湊、重量輕、慣性小以外，還應采取有效的緩沖措施，以便吸收沖擊能量，提高機械手的工作平穩(wěn)性。4）其他要求對于一些在特殊條件下工作的機械手，設計時應滿足其他特殊的要求。例如：在高溫環(huán)境工作時，應考慮熱輻射的影響；在腐蝕性介質環(huán)境下工作時，應考慮防腐蝕措施；在多用途作業(yè)環(huán)境下工作時，應考慮控制、檢測、維修方便等等。手臂和機身的配置形式反映了機械手的總體布置形式，主要取決與機械手的工作要求、運動形式和作業(yè)環(huán)境，大致上可歸納為以下幾種：1）立柱式這種配置形式適合于回轉型、俯仰型或屈伸型機械手，因而是一種最常見的配置形式。這種配置形式的手臂可以在水平面內回轉，具有占地面積小、工作范圍的特點。立柱可以安裝在生產線上，為一臺機車服務，也可以在其上加裝行走裝置，為多臺機床服務。立柱式配置形式的機械手可以做成單臂的，也可以作成雙臂的。后者通過兩臂同時升降、交臂伸縮，實現一手上料，一手下料，使結構簡單緊湊。2）機座式機座式配置形式的機身設計成機座的形式，獨立自成系統(tǒng)，便于安裝和搬動。也可在機座上增設行走裝置，使機座能在地面專用軌道上移動。這種配置形式的手臂裝在機座的頂端，適合于回轉型或俯仰型機械手。這種配置形式的機械手也可以做成雙臂的或多臂的，以便同時為幾臺機床服務。3）屈伸式屈伸式配置形式的小臂相對于大臂可以作屈伸運動，大臂又可相對于機身作回轉和俯仰運動。因此，手臂夾持中心的運動軌跡為一空間曲線。這種配置形式能有效地利用空間，并能繞過障礙物夾持和送放工件，但使機械手的結構較復雜。4）懸掛式懸掛式配置形式的機身設有橫梁，用于懸掛手臂，這種配置形式主要用于直角坐標式機械手。橫梁可設計成固定的，也可以設計成移動的。一般情況下，橫梁可安放在廠房原有的建筑物上。本機械手機身采用機座式，手臂運動的導向裝置為雙導向桿式，兩導向桿對稱配置在驅動油缸的兩側。4.4.2. 手臂驅動力的計算計算臂部運動驅動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進去。機器人工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。1）手臂水平伸縮運動時的驅動力計算下圖 4.4 所示的為手臂作水平伸縮運動時的受力分析。XX 大學本科生畢業(yè)設計28圖 4.4當壓力油輸入工作腔時，活塞驅動手臂前伸。其驅動力應克服手臂在前伸啟動時所產生的慣性力、手臂運動部件與密封裝置的摩擦阻力，以及回油腔的壓力（即負壓） 。因此，驅動力為 背封摩慣 PP??式中， ——手臂啟動過程中的慣性力；慣P——摩擦阻力（包括導向裝置和活塞與缸體之間的摩擦阻力） ；摩——密封裝置處的摩擦阻力，用不同形式的密封裝置，其摩擦阻力不同；封——油缸非工作腔的壓力（即背壓）所造成的阻力，若非工作腔與油箱或大背氣相通，則 =0。背P2）手臂作回轉運動時的驅動力矩計算驅動手臂回轉的力矩為 M，該力矩應與手臂啟動時所產生的慣性力矩 以及密慣M封裝置所產生的阻力矩 平衡（略去軸承處的摩擦） ，因此：封 封慣 ??式中， ——慣性力矩；慣——密封裝置處的摩擦力矩。封M一般， 按下式計算：慣（4.21）tJM????0慣式中， ——回轉缸動片的角速度增量，在啟動過程中， ；?? ??——啟動過程的時間；tXX 大學本科生畢業(yè)設計29——手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量。0J若手臂回轉部件的重心與回轉軸線不重合，則其部件對回轉軸線的轉動慣量為（4.22）20pgGJe??式中， ——回轉部件對重心軸線的轉動慣量；Jep——回轉部件的重心到回轉軸線的距離。當手臂部件尺寸不大，而且其重心位置距回轉軸線又較遠時，可認為手臂部件為“質點” ，則按下式計算轉動慣量：（4.23）20pgGJ?另外，在初算驅動力矩時，為了簡化計算，也可以用效率參數來考慮各密封裝置的摩擦阻力的影響，則可按下式計算驅動力矩：（4.24）?慣M?式中， ——回轉缸的效率，取 =0.85～0.90。?由上述可知，要減少驅動力矩，必須減少啟動時的慣性力矩，應盡量減少手臂的懸伸量，盡量使運動部件的總重心趨近手臂的回轉軸線，并將手臂縮回后再進行回轉。3）手臂作俯仰運動時的驅動力矩計算下圖 4.5 所示為手臂作俯仰運動時的受力分析圖。XX 大學本科生畢業(yè)設計30圖 4.5由圖可知，當手臂與水平線成仰角 β1 和俯角 β2 時，鉸接活塞缸的驅動力 P的作用線與垂直線的夾角 a 在 a1 與 a2 的范圍內變化。而作用在活塞上的驅動力通過連桿機構產生的驅動力矩與手臂的俯仰角 β 有關，當手臂處在仰角為 β1 的位置OA1 時，驅動力矩為（4.25）)cos(1????PbM因為 ??CBDAOtg111?而 ???11cosbCB 11sin?bc?所以 11sico???bartg?????????1incosbtPbM而 背封 PDP??42?（4.26）式中，a,b,c——機械手的結構尺寸（參見圖 4.5） ；