平衡臂機械手的設計之平衡臂及機械手爪,平衡臂機械手的設計之平衡臂及機械手爪,平衡,機械手,設計,機械,手爪 目 錄 摘要、關鍵詞…………………………………………………………………………………………1 第1章 緒 論 …...4 1.1國內外機械手綜述 4 1.1.1簡史 4 1.1.2應用簡況 5 1.1.3國內外機械人發(fā)展趨勢 5 1.2機械手的組成和分類 6 1.2.1機械手的組成 6 1.2.2機械手的分類 7 1.3本課題研究的主要內容及意義 8 1.3.1 課題 七桿二自由度機械手設計內容及基本要求 8 1.3.2重點研究的問題： 9 1.3.3 本次設計的意義 9 第2章 機械手基本參數的確定 10 2.1抓重 10 2.2 轉角 10 2.3工作速度 10 2.4定位精度 11 第3章 機械手機械結構的設計計算 12 3.1 機械手機構的分析與設計 12 3.1.1機械手的自由度 12 3.1.2坐標形式 13 3.1.3機械手的機構簡圖以及部件尺寸 13 3.1.4機械手總體方案的比較 14 3.2 機構桿件的受力校核分析 15 3.2.1支撐桿的受力校核 15 3.2.2導軌滑桿的強度檢驗 15 3.2.3立柱支撐軸的強度校核 16 3．3機械手手指結構的設計與計算 17 3.3.1概述 17 3.3.2手指的驅動力計算 18 3.3.3手部伸縮的驅動裝置 20 3.3.4 手指定位誤差的分析 20 3.4機械手手腕結構的設計與計算 20 3.4.1手腕自由度和結構 20 3.4.2手腕的結構 21 3.4.3 手腕驅動力矩的計算 21 3.4.4回轉缸的驅動力矩計算 23 3.5手臂結構分析 24 3.5.1大手臂的結構及其工作原理 24 3.5.2大手臂做升降運動時所需的驅動力 26 3.5.3驅動油缸的計算 27 3.5.4缸蓋的強度計算 28 3.5.5活塞桿的穩(wěn)定行驗算 29 3.5.6大手臂系統(tǒng)溫升的驗算 29 3.5.7 設計手臂時注意的問題 30 總結……………………………………………………………………………31 參考文獻………………………………………………………………………32 附錄一 英文文獻翻譯 33 附錄二 英文翻譯原文..……………………………………………………40 31 平衡臂機械手的設計之平衡臂及機械手爪 摘 要 ：論文模仿機械手的基本功能和設計思路，根據給定的規(guī)定動作順序，綜合運用所學的基本理論、基本知識和相關的機械設計專業(yè)知識，完成了機械手的設計，并繪制必要的零部件圖和裝配圖，其中包括機器裝置的原理方案構思和擬定；原理方案的實現、傳動方案的設計；主要結構的設 計簡圖；設計計算與說明；控制油路系統(tǒng)的設計。 工業(yè)機械手設計的主要技術關鍵問題為：夾持機構的夾緊與翻轉；行程機構的轉向與伸縮；提升機構的提升；控制油路系統(tǒng)的設計。 關鍵詞：工業(yè)機械手；手爪；伸縮油缸；轉動油缸 Manipulator arm of a balanced design and mechanical gripper arm balance Summary：The thesis deploys the basic function and the way of design of the automatic hand , according to the given provision of action in proper order, comprehensively using the basic theories, basic knowledge and the related professional knowledge of mechanical design, completing the design of mechanical hand, and drying the diagrams of the necessary spare parts and the assemble diagram, including the consideration and the establishment of the principle;The realization of the principle, powertrains of the project; sketch plan of the structure;calculation of design and the elucidation; design of the the liquid press system. The mainly key problem of design a mechanical hand is :Clipping the object and revolving;The route of travel organization;the promotion of the organization;the design of the liquid press system. Keyword:Industrial mechanical hand Hand claw Flexible oil urn recolcing oil urn 第1章 緒 論 工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現的一項新技術，并已經成為現代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。 機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們認識：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。從而大大得改善人工的勞動條件，顯著得提高勞動生產效率，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應用。尤其在高溫，高壓，粉塵，噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。 機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械，記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特頂的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電尋好操作機械手來進行月球的探測等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專用機械手，主要負數于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為Mechanical Hand，它是為主機服務的，有主機驅動；除少數外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。 1.1國內外機械手綜述 1.1.1簡史 機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。她的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。 1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。同年，美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatrap機械手，原意是靈活搬運。 1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工大學聯合研制一種叫Unnimation-Viearm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)。 到目前為止，日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快，應用最多的國家。 但是，目前的機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是減低成本和提高精度。 第二代機械手設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺，觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。 第三代機械手（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一環(huán)。 1.1.2應用簡況 就國內機械工業(yè)，鐵路 部門應用機械手的簡況，介紹如下： （一） 熱加工方面的應用 熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現自動化。為了實現高效率和工作安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更加需要采用機械手操作 （二） 冷加工方面 冷加工方面機械手主要采用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。更在加工生產線、自動線上應用，成為機床、設備上下工序聯結和重要手段。 （三） 拆修裝方面 拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。 采用機械手進行裝配更是目前研制的重點，國外已研究采用攝象機和里的傳感裝置和微型計算機聯系在一起，能確定零件的方位，達到鑲裝的目的。 1.1.3國內外機械人發(fā)展趨勢 在普及第一代工業(yè)機器人的基礎上，第二代工業(yè)機器人已經推廣，成為 主流安裝機型，第三代智能機器人也占有一定比重(占日本1998年安裝臺數的10%，銷售額的36% )。 機械結構? 以關節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關節(jié)型機器人約占總量的1/3。應3K和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)的需求，超大型機器人應運而生。CAD , CAM等技術己普遍用于設計、仿真和制造中。 控制技術? 大多采用32位CPU，控制軸數多達27軸，NC技術、離線編程技術大量采用。協(xié)調控制技術日趨成熟，實現了多手與變位機、多機器人的協(xié)調控制。采用基于PC的開放結構的控制系統(tǒng)已成為一股潮流。 驅動技術? 80年代發(fā)展起來的AC伺服驅動已成為主流驅動技術應用于工業(yè)機器人中。新一代的伺服電機與基于微處理器的智能伺服控制器相結合已由FANUC等公司開發(fā)并用于工業(yè)機器人中;在遠程控制中已采用了分布式智能驅動新技術。 應用智能化的傳感器? 裝有視覺傳感器的機器人數量呈上升趨勢，不少機器人裝有兩種以上傳感器，有些機器人留了多種機器人接口。 通用機器人編程語言? 在ABB公司的20多個型號產品中，采用了通用模塊化語言RAPID。最近美國機器人空間技術公司開發(fā)了Robot Script V.10通用語言，運行于該公司的通用機器人控制器URC的Win NT/95環(huán)境下。該語言易學易用，可用于各種開發(fā)環(huán)境，與大多數WINDOWS軟件產品兼容。 網絡通訊方式? 大部分機器人采用了Ether網絡通訊方式，占總量的41.3%，其他采用RS-232, RA-422, RS-485等通訊接口。 高速、高精度、多功能化? 目前，最快的裝配機器人最大合成速度為16. 5m/s，有一種大直角坐標搬運機器人，其最大合成速度竟達80m/ s;而另一種并聯結構的NC機器人，其位置重復精度達limo 90年代末的機器人一般都具有兩、三種功能，向多功能化方向發(fā)展。 集成化與系統(tǒng)化? 當今機器人技術的另一特點是機器人的應用從單機、單元向系統(tǒng)發(fā)展。百臺以上的機器人群與微機及周邊設備和操作人員形成一個大群體。跨國大集團的壟斷和全球化的生產將世界眾多廠家的產品聯接在一起，實現了標準化、開放化、網絡化的“虛擬制造”，為工業(yè)機器人系統(tǒng)化的發(fā)展推波助瀾。 隨著計算機技術的不斷向智能化方向發(fā)展，機器人應用領域的不斷擴展和深化以及機器人在FMS, CIMS系統(tǒng)中的群體應用，工業(yè)機器人也在不斷向智能化方向發(fā)展，以適應“敏捷制造”(Agile Manufacturing)，滿足多樣化、個性化的需求，并適應多變的非結構環(huán)境作業(yè)，向非制造領域進軍。 我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了部分機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人:其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距:在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球己安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一位客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而目‘質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O計，積極推進產業(yè)化進程。 我國的智能機器人和特種機器人在“86“計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人技術居世界領先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種:在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄鍛，熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應用專用機械手的同時，相應地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教型機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、俯仰等機構，以及適于不同類型的夾緊機構，設計成典型的通用機構，以便根據不同的作業(yè)要求，選用不同的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設計制造，又便于改換工作，擴大了應用的范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以更好地發(fā)揮機械手的作用。更為主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 1.2機械手的組成和分類 1.2.1機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統(tǒng)三大部分組成。 一、 執(zhí) 行 機 構 （1） 手部 手部安裝在手臂的前端，手臂的內孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕， 以轉動、伸屈手腕、開閉手指。 機械手手部的構造系模仿人的手指，分為無關節(jié)、固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數量又分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。 （2） 手臂 手臂有無關節(jié)臂和有關節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關節(jié)臂。 手臂的作用是引導手指準確得抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由讀都需要精確的定位。 （3） 軀干 軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構的支架。 二、 驅 動 系 統(tǒng) 驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣體驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓、氣動用的最多，占90%以上；電動、機械驅動用的較少。 液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱實現傳動。它的優(yōu)點是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需配備壓力源，系統(tǒng)復雜，成本較高。 氣動驅動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達、氣閥等。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。尤其空氣的可壓縮性大，很難實現中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產生的沖擊，氣壓系統(tǒng)的裝有速度控制機構或緩沖減震機構。 電器驅動都采用三相感應電機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構；直線運動則用電機帶動絲杠螺母機構；有的采用直線電動機。電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單；維護、使用方便。一般只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可開，工作速度高，成本低；缺點是不易于調整。 三、 控 制 系 統(tǒng) 機械手控制的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間、運動速度和加減速度等。 機械手的控制分為點位控制和連續(xù)詭計控制兩種?？刂葡到y(tǒng)可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。 程序的存儲方式分為分離存儲和集中存儲兩種。對于動作復雜的機械手（機械人），采用示教再現型控制系統(tǒng)。更復雜的機械手（機械人）則采用數字控制系統(tǒng)、小型計算器或微處理機控制的系統(tǒng)。 1.2.2機械手的分類 一、按 用 途 分 類 1. 專用機械手 專用機械手是專為一定設備服務的，簡單、使用，目前在生產中運用的比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)。如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應多種作業(yè)的需要。 2. 通用機械手 通用機械手是在專用機械手的基礎上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動作，具有相當的通用性。它是一種能獨立工作的自動話裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大概是采用順序控制系統(tǒng)。 通用機械手又分簡易型、示教再現型和只能機械手、草中式機械手等幾種。 三、 按控制型式分類 1.點位控制型機械手 點位控制型機械手的運動詭計是空間二個點之間的連接?？刂泣c書越多，性能越好。它基本能滿足于各種要求，結構簡單。絕大部分機械手是點位控制型。 2.連續(xù)軌跡控制型機械手 這種機械手的運動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復雜的動作。工作性能完善，但控制部分比較復雜。 控制方式分為開關式和伺服式兩種。 1.3本課題研究的主要內容及意義 1.3.1 課題 七桿二自由度機械手設計內容及基本要求 設計一個機械手，用于工廠機床邊抓取圓棒料和餅類零件，實現從地面到機床卡盤和從機床卡盤到地面的運動。 抓取重量；≤40千克。在總體的設計過程中，該抓取物重量可以減小。 機械臂活動范圍：活動半徑≤2 m 夾持物最大直徑≤100mm（軸類）、最大直徑<300(餅類) 活動高度 ≤2.0m 動力：盡可能采用機械傳動、電磁力或氣動。必要時可以采用液壓，但不宜使用高壓液壓設備。 工作量要求：〈1〉平衡臂部件圖紙，油缸裝配圖，活塞零件圖，零部件一覽表，標準間匯總表。 〈2〉設計說明書 〈3〉英文翻譯成漢文（5000字） 第二章 機械手基本參數的確定 一個機械手系統(tǒng)所包含的基本參數有抓重（即臂力）、自由度、工作行程（包括轉角），行程速度，工作節(jié)拍和定位精度等。 2.1抓重 抓重就是指機械手所能搬運物件的重量?？紤]到這個機械手的結構強度等因素，且抓重要求是40公斤，所以安全系數K選擇在2~3范圍內。 2.2 轉角 結合工廠實地參觀的工件擺放和機床設備的擺放位置，做出如下簡圖： （虛線所示為手臂抓取工件的位置） 所以我們設計機械手的回轉角度為90度。 2.3工作速度 機械手的動作節(jié)拍是指機械手完成一個動作循環(huán)所需要的時間。它的運動節(jié)拍只占到生產節(jié)拍的一部分。我們假設機械手夾持的軸形工件是需要在車床上完成車的工序，當工件在機床加工時是不動作的，當這一工序加工結束時機械手才再開始動作，所以這時機械手的動作節(jié)拍需要加上工件加工的那段時間。 機械手在上料的過程中，需要完成夾緊工件，手臂上升、手腕回轉、手臂 伸出、下降、放松工件、手臂縮回、反轉、手腕反轉等動作。 考慮到以下一些問題，機械手的動作節(jié)拍還需要加上以下這些時間： 1.由于繼電器、電磁滑閥以及執(zhí)行機構都有一定的慣性，從動作指令發(fā)出到考試動作需要一段時間，因此單個動作時間不宜少于0.2秒（直流電磁閥打開響應時間為0.1~0.5秒，交流電磁閥的打開響應時間為0.01~0.07秒） 2.夾緊或放松動作時間一般定為0.2~0.3秒。 3.手臂伸縮、水平回轉和升降運動的時間，是機械手動作節(jié)拍的主要部分，應考慮抓重和形成的大小、驅動方式、緩沖方式和定位方式而加以確定。 2.4定位精度 機械手的定位精度是由加工工藝要、機械手本身的結構特點（如制造精度、結構剛性）、抓重、工作行程、工作速度以及驅動、控制方式和緩沖定位方式諸因素所決定。其中加工工藝要求是主要的因素。切削機床上下料機械手的定位精度一般為毫米 第三章 機械手機械結構的設計計算 3.1 機械手機構的分析與設計 3.1.1機械手的自由度 機械手要像人的手一樣完成各種動作是比較困難的。因為人的手指、手長、手腕、手臂由十九個關節(jié)所組成，并具有27個自由度，而生產實踐中機械手不需要這么多自由度。下面按機械手所具有的主運動和輔助運動來分析其自由度。手臂和立柱的運動成為主運動，因為它們能改變抓取工件在空間的位置。手腕和手指的運動成為輔助運動，因為手腕的運動只能改變被抓取工件的方位，而手指的夾放運動不能改變工件的位置和方位，故它不計為自由度數，其他運動都算作自由度數。 這次參考了江麓機械廠的機械手，在確定了被抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運到規(guī)定的位置時所需要的運動。得知我們改造的機械手包括了大臂的回轉和升降兩個運動，而將要設計的手腕的自由度僅僅是為了配合手臂完成工件的預定裝卸方位要求加以增設的，故只算成兩個自由度。 圖一 由圖可知，此機械手在XY平面內有回轉運動，且在Z方向和X方向有直線運動，故做出它的運動軌跡圖，如下： 圖二 自由度數多少是衡量機械手技術水平的指標之一，自由數越多，可以完成的動作越復雜，通用性越強，應用范圍也越廣，但是響應的帶來了技術難度大，控制系統(tǒng)和機械結構復雜，機械手本身的體積和重量增加，成本高和維修困難。自由度少，通用性越差，但是技術上容易達到，結構簡單，使用和維修方便。所以在此次設計中，二自由度已經足夠，沒有必要盲目的加入自由度。 3.1.2坐標形式 如一圖所示的機械手，其手臂的運動由兩個直線運動和一個回轉所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉。這種坐標型式的機械手成為圓柱坐標式機械手。它與指教坐標式相比較，占地面積大而活動范圍大，結構較為簡單，并能達到較高的定位精度，因此得到廣泛的應用。 3.1.3機械手的機構簡圖以及部件尺寸 圖三 由受力分析和平衡方程可得：ΣFx=0 Fbx=0 Σfy=0 Fna+Fby-P=0 ΣMx=0 P·DB-Fna·AB=0 由幾何關系得：Fna=6P Fbx=0 Fby=-5P 由A得：ΣFx=0 Fae·cos a -Fak·cos ? =0 Σfy=0 Fna-Fae·sin a –Fak·sin ? =0 Fae=P·h?！os ? \h·sin(a + ?) Fak= P·h?！os a \ h·sin(a + ?) 由C得：ΣFx=0 Fcx-Fea·cos a =0 Σfy=0 Fcy+Fea·sin a – P =0 Fcx=P·h?！os a·cos ? \ h·sin(a + ?) Fcy=P·[1- h?！in a ·cos ?\ h·sin(a + ?)] 在江麓機械廠的實地測繪，要進行改造的機械手機構簡圖如上圖所示 。為一個七桿二自由度機械手。其各部件的尺寸如下： 桿件一 250mm 桿件二 1250mm 桿件三 250mm 桿件四 1250mm 桿件五 1500mm 此機械手的尺寸恰能滿足回轉半徑1m~3m和提升工件高度≤2.5m的要求，所以在這次設計過程中不做改動。 由圖一計算其他尺寸： 圖中虛線所示位置就是當機械手將工件舉到最高時候的位置，實線所示的位置就是機械手在地面高度抓取工件的位置。設計手臂在這兩個位置時，桿件與水平所成的角度都為30。則Ae長度等于250=125mm，bf長度也為125mm，bC長度等于BC=250=125mm，cc產度等于bc-bC=250-125=125mm，Bb長度等于BC=250=213mm，所以確定Aa等于Ae+bf+Bb=125+125+213=463mm。即為大臂升降油缸的行程取l=500mm. 3.1.4機械手總體方案的比較 除了上圖所看到的方案，還有一種設計的方案，即將伸縮油缸和回轉油缸放置在同一個立柱中，但是如果這樣放置，一個是裝配時十分不方便，二個是在機械手夾持工件進行回轉時，回轉中心將更加遠離回轉油缸的中心，那樣對支撐軸的扭矩將增大，且對立柱的彎曲應力更大，機械手的壽命將縮短。所以，我們設計的是將伸縮油缸和液壓站用支撐板固定在遠離工件的立柱的另側，這樣，當機械手回轉時，回轉中心將比較靠近回轉油缸的回轉中心，這樣，即減少了支撐軸的彎曲應力，又可以使的機械手在裝配和設置油管路線時更加方便。 橫向擴展一下，本人聯想到資料中海港的集裝箱的起吊手臂，它在空間運行的時候，保證了集裝箱的水平放置，那樣手臂的設計將更加復雜。本人設計的機械手，在空間的運動位置是不定的，如果要改進，則需要在橫向伸縮的導桿中加入一個伸縮油缸，用來精確控制工件被夾取后在空間中的運動位置。 3.2 機構桿件的受力校核分析 3.2.1支撐桿的受力校核 當機械手將工件抬舉到最大高度的時候，支撐桿的受彎曲力矩最大。此時的受力分析如圖： 機械手的構件部分都設計成為空心圓鋼桿，其外徑為115mm，內徑為75mm,查表得到它的[]=60MPa,E=200GPa.此時受到的壓力P為工件和前端桿件的重量，約為50KN。 （1）此時1桿和2桿的軸力NN分別為 N=2P=100KN N=P=86.6KN（壓） （2）強度校核 A==5.86m 所以1桿2桿的應力分別為： =17.06MPa<[] 由此可見手臂的桿件都滿足強度要求，整個結構強度都是滿足要求的。 3.2.2導軌滑桿的強度檢驗 導軌滑桿是放置在大臂頂部的構件，它承受了各機構桿件和工件對其的壓力，其受力狀況如下： 其中AB長度等于CD長度等于40mm。BC長度等于120mm。P=7?kN，它的[]為100MPa. （1） 計算支反力并做梁的彎矩圖 根據梁的平衡條件，求得梁的支撐反力為： R==7 kN 作出梁的彎矩圖如圖所示： 由圖可見，梁上最大的彎矩為： M=M=0.28 kNm （2） 強度校核 梁的B截面和C截面為危險截面。因此對B截面進行校核： 57.07MPa<[] 所以，此滑桿是穩(wěn)定安全的，且有較大的強度儲備。 3.3機械手手指結構的設計與計算 3.3.1概述 手部是機械手直接用于抓區(qū)和握緊工件進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機械手手臂的前端。我們設計采用的是回轉型滑槽杠桿式手部結構，如圖所示，當活塞桿1帶動銷軸2左移時，銷軸拉動手指3使之松開而放開工件。反之，手指閉合而夾緊工件。 圖四 采取這個方案來設計手部結構是考慮到它結構簡單，制造容易，應用廣泛，開閉角較大，而且在移動型手指夾持直徑變化的工件時不影響其軸心的位置，能適應夾取不同直徑的軸類工件。 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和震動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防止折端或者是彎曲變形，但應盡量使結構哦簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。采用的這個設計方案正是具備了以上的特點。 3.3.2手指的驅動力計算 此滑槽桿式手部結構的力的分析如上圖所示。在拉桿的作用下銷軸向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為、，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向O點，和的延長線交于A及B，由于ΔOB和ΔOA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據軸的力平衡條件，得 P=2P = 假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內，并設兩力大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即=0 得 `h=Nb 因 h= 所以P= 式中a為手指的回轉支點到對稱中心的距離（毫米） α為工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點連線間的夾角，一般情況下取α為 設計時設計a和b分別為80mm和95mm。 而N=0.5G（為手指的張角的一半為。） =（為摩擦系數，因為手爪采用材料為硬質聚氯乙烯，查表得它對鋼的摩擦系數為0.1） =，所以N=0.5×9.8×tan(60-5.7)×100kg=681.65N 求得P=1214.19N 考慮到工件在傳送過程中產生的慣性力，振動以及傳力機構效率的影響，其實際的驅動力應按下式計算。即 為手部的機械效率，一般取（0.85-0.95） 為安全系數，一般?。?.2-2） 為工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估算。=1+其中為被抓取工件運動時的最大的速度，g為重力加速度。設抓取最大=g。 所以1214.19×=4046.7N 3.3.3手部伸縮的驅動裝置 采用雙向作用式液壓驅動裝置，手指支架與缸體固聯為一體，當壓力流體進入下腔時，活塞桿向上移動使手指夾緊，當壓力流體進入上腔時，則活塞桿向下移動使手指松開。 ① 此液壓缸工作壓力的確定 選用額定壓力為20MPa的液壓缸。液壓缸所能克服的最大負載F和有效作用面積可用下列關系式表示： F=p·A 式中F——液壓缸最大負載，包括工作負載、摩擦力、慣性力等（N）； P——液壓缸工作壓力（MPa）； A——液壓缸（活塞）有效工作面積（）。 由上式可見，液壓缸最大負載給定時，液壓缸工作壓力p取得最高，則活塞有效工作面積A就小，液壓缸結構緊湊。系統(tǒng)壓力高，對液壓元件的性能及密封要求也相應提高。 4046.7N=20×Pa×A 得A=0.00025292=202 選用直徑為14mm的活塞桿，則液壓缸的內徑D= 將各數值代入公式，算得D=19.2986mm。故選用內徑為20mm的液壓缸。 3.3.4 手指定位誤差的分析 為了使我們設計的機械手能應用于多品種小批量、工件直徑在一定范圍內變化的生產中，所以采用了這種自動定心的手部結構，來減少機械手的調整工作。在工件的移動過程中，工件的直徑變化不影響其軸心的位置，即定位誤差為零。但是，采用了這種手指的設計，其傳動結構比較復雜，體積較大，并且要求加工精度高。 3.4機械手手腕結構的設計與計算 3.4.1手腕自由度和結構 一、手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕最多具有四個獨立運動即四個自由度。 手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。在這次的機械手設計中，此手腕設有一個繞Z軸轉動的回轉運動，已經達到了上下料的動作要求。實現手腕回轉運動的機構，應用的是回轉油缸，它的機構緊湊，但是回轉角度小于，并且要求嚴格的密封。 3.4.2手腕的結構 設計手腕時除應該滿足啟動和傳送過程中所需的輸出力矩外，還要求手腕的結構簡單、緊湊、輕巧。另外通往手腕油缸的管道盡量從手臂內部通過，以便手腕轉動是管路不扭轉不外露，使外形整齊。設計出的手腕結構如下圖： 1. 定片 2.動片 3.后蓋 4.夾緊缸體 5.活塞桿 6.回轉缸體 7.前蓋 8.指座 圖五 我們設計的手腕如圖所示，采用回轉油缸的手腕結構。定片1與后蓋3、回轉缸體6和前蓋7均用螺釘和銷子進行留戀界和定位，動片2與手部的夾緊油缸缸體4用鍵聯接。缸體4與指座8固聯成一體。當回轉油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅動動片連同夾緊油缸缸體4和指座8一同轉動，即是手腕的回轉運動。此手腕具有結構簡單和緊湊等優(yōu)點。 3.4.3 手腕驅動力矩的計算 驅動手腕回轉時的驅動例句必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端面等處密封裝置的摩擦阻力矩，動片與缸體、定片、端蓋等處密封裝置阻力以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩。 手腕轉動時所需的驅動力距可按下式計算： M驅=M慣+M偏+M摩+M封（公斤厘米） 式中 M驅——驅動手腕轉動的驅動力矩。 M慣——慣性力矩。 M偏——參與轉動的零部件的重量（包括手腕回轉缸的動片，手部，工件）對轉動軸線所產生的偏重力矩。 M摩——手腕轉動與支承軸處的摩擦阻力矩。 M封——手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩。 1. 假設手腕起動時按等加速運動，手腕轉動時的角加速度ω，起動過程所用的時間為，則 M慣=（J+） = 100/2 （公斤厘米） J——參與手腕轉動的零件對轉動軸線的轉動慣量。 ——工件對手腕轉動軸線的轉動慣量。 （公斤厘米） 2. 手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏 M偏= ——手腕轉動時的重量。 ——手腕轉動件的重心到軸線的偏心距。 3． 手腕轉動的摩擦阻力距M摩 M摩= ——手腕轉動軸的軸頸直徑。 =0.01 為支持反力： M摩 =（公斤厘米） 4. 回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等密封裝置的摩擦阻力距M封，與類型有關，具體分析。 3.4.4回轉缸的驅動力矩計算 在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單片回轉油缸，它的工作原理如下圖所示：定片與缸體固聯，動片與回轉軸固連。動片及密封圈把油腔分為兩個，當壓力油從左邊孔進入時，推動輸出軸作順時針方向回轉，則低壓腔的油從右孔排出。反之，輸出軸作逆時針方向回轉。單葉片回轉油缸的壓力P和驅動力矩M的關系為： M= P== （公斤厘米） M——回轉缸的驅動力矩（公斤厘米）； P——回轉油缸的工作壓力（公斤/） R——工作壓力（厘米）； R——輸出軸半徑（厘米）； b——動片寬度（厘米）。 3.5手臂結構分析 手臂是機械手執(zhí)行機構中的重要部件，它的作用是將被抓取的工件傳誦到給定位置和方位上，因此，我們設計的機械手的手臂具有三個自由度，即小手臂的伸縮、大手臂的左右回轉和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，橫向移動是由附屬在立柱上的小手臂實現的。手臂的各種運動通常是由驅動機構（油缸）和各種傳動機構來實現，因此，它不僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、各傳動手臂和立柱自身的重量。手臂的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C械手的工作性能，所以必須根據機械手的抓取重量、運動形式、自由度數、運動速度及其定位精度的要求來設計手臂的結構形式。 3.5.1大手臂的結構及其工作原理 大手臂的是一個機械手中最重要的部分，它需要完成將工件提起和移動的動作，因此設計大手臂既能夠完成升降的運動，同時又要具備回轉的功能。為了完成這樣的要求，此手臂必須具備一個升降油缸和一個回轉油缸。如果將兩個油缸分開置放在不同的腔體中，比如，將升降油缸放置在回轉油缸和工件的中間，這樣的話，升降油缸和回轉油缸能分別分擔一些工件以及其他桿件對立柱的偏重力矩，而且維修方面比較方便，對于以后的對機械手的改造也提供了便利，但是這樣顯得整個系統(tǒng)比較復雜和臃腫，占地空間比較大。我們設計的是將兩個油缸置放在一個腔體中（即立柱），這樣設計出來的外形整齊美觀。雖然這樣立柱將要承受更多的偏重力矩，對立柱腔體的外壁的承重有更高的要求，但綜合考慮，還是采用這種結構。對立柱的外壁的校核將在后面部分進行。大手臂（即立柱）的結構如下圖： 1. 升降油缸 2.手臂升降軸 3.回轉油缸 4回轉缸動片 5.立柱腔殼. 當壓力油進入升降油缸1的左腔時，推動手臂的升降軸向上移動，從而實現機械手抓取工件向上移動的動作，當壓力油進入升降油缸1的右腔時，使的左腔的壓力油返回到油箱，升降手臂向下移動，從而實現機械手返回到抓取工件位置的動作。為了防止回轉油缸轉動時帶動升降軸產生輕微的轉動，故采用了和小手臂一樣的導向裝置，即在升降軸上固連一個滑輪，將其鑲嵌在立柱腔殼上制造的一個導軌槽內。 回轉油缸的圖如下所示： 1.立柱腔殼 2. 回轉缸定片 3. 回轉缸內腔體 4. 回轉缸動片 這個回轉缸的動片是和回轉缸的腔體以及立柱的腔殼聯接在一起的，而定片是和回轉缸的內腔體連接在一起，所以，當壓力油經過圖中左端的油管進入回轉缸的左腔時，動片帶動著立柱腔殼進行逆時針的回轉，反之，立柱進行逆時針的回轉。由圖可知，這個回轉油缸的回轉角度α=360-2=296.已經能夠滿足機械手回轉角度的要求。 3.5.2大手臂做升降運動時所需的驅動力 手臂上升是靠油壓作用在活塞上的推力實現的，在它上升的過程中，要克服啟動的慣性力，以及行程過程中的摩擦阻力，包括了升降軸與各部件的摩擦，以及導向滑輪與導軌槽之間的摩擦力，還要克服密封裝置處的摩擦阻力和油缸非工作腔壓力（即背壓）所造成的阻力。這些與小手臂的驅動力的考慮是一樣的，但是升降軸除此之外，還要考慮到各個部件的重量，需要克服手臂本身以及手部、手腕和被抓物件的重量 P驅=P慣+P摩+P封+P背±G 在大手臂起動時的過程中，慣性力即為它的沿活塞方向的工作負載，即： P慣= 式中g——重力加速度； ——加速或減速時間，一般=0.01~0.5s； ——時間內的速度變化量。 在大臂的運動過程中，G=（100+150+50+80+180+800）g=13600N; 故P慣=8464N P摩=f(G+Frn); G——運動部件重力 Frn——垂直于導軌的工作負載，在此時為零； f——導軌摩擦系數，此時取靜摩擦系數為0.2，動摩擦系數為0.1。則求得 Ffs=0.2=2720N Ffa=0.1=1360N 上式中Ffs為靜摩擦阻力，Ffa為動摩擦阻力。 液壓缸密封處的摩擦力，它的精確值不易求得，常用液壓缸的機械效率進行估算： F+= 式中：F——工作循環(huán)中最大的外負載 ——液壓缸的機械效率，一般=0.9~0.97 求的=715N 查閱資料得： 在高壓系統(tǒng)中，背壓的估算值可忽略不計。 P驅=13260N。 一般情況下，P實際≥。 3.5.3驅動油缸的計算 1. 工作壓力的確定 選用額定壓力為25MPa的液壓缸。 A= 活塞桿直徑選用125mm。 則液壓缸內徑為： D= 2. 選用內徑為160mm的液壓缸。 3. 行程選擇為500mm。 3.5.4缸蓋的強度計算 （1）缸蓋螺釘的計算 當缸體和剛該用法蘭連接時，螺釘除了應具有足夠的強度之外，還要保證聯結的緊密性。同時，在剛該所受的合成液壓力的作用下，聯接一定要有足夠的剩余鎖緊力，以免形成間隙而漏油。 在這種聯接中，每個螺釘在危險剖面（羅紋根部橫截面）上承受的拉力Q是工作載荷Q與剩余鎖緊力Q之和。即： Q=Q+ Q 式中 Q——工作載荷（公斤）； Q==49.0625 公斤 式中 P——剛該所受的合成液壓力（公斤）； Z——螺釘數目，Z= D——螺釘中心所在圓的直徑（毫米）； P——油缸內油液的工作壓力（公斤/厘米） Q——剩余預緊力。對于要求緊密性的聯接取Q=KQ，K=1.5~1.8所以，當取K=1.6時，Q=78.5公斤 算的Q=49.0625+78.5=127.56公斤 因此，螺釘的強度條件為： = 公斤/厘米 式中螺釘材料為塑性的，而且當進行擰緊時，在危險剖面上，同時存在著拉英里和扭應力，所以應該將螺釘所受的拉力加大30%得Q=1.3Q 對于普通螺紋，內徑d=d-1.224S 所以=4760公斤/厘米，查表得鋼號為40Cr的螺釘為6500，故滿足要求。 3.5.5活塞桿的穩(wěn)定行驗算 此桿為受壓活塞桿，且>15。進行壓桿穩(wěn)定性驗算。 活塞桿由45#鋼制成，=350MPa，=28MPa，E=210GPa，長度=1200mm，直徑d=60mm，最大壓力=15.1KN，規(guī)定穩(wěn)定安全系數為=8～10。校核穩(wěn)定性： 活塞桿簡化成兩端鉸支桿，截面為圓形，i=，柔度為 柔度。 所以不能用歐拉公式計算臨界壓力。若用直線公式，由表查的優(yōu)質鋼的a和b分別為：a=461MPa，b=2.568MPa。 。 可見活塞桿的柔度介于和之間，是中等柔度壓桿。由直線公式求出臨界壓力為：MPa。 活塞桿的安全系數為：n=。 所以滿足穩(wěn)定性要求。 3.5.6大手臂系統(tǒng)溫升的驗算 在整個機械手的工作循環(huán)中，上升階段所占的時間最長，為了簡化計算，主要考慮上升時的發(fā)熱量。一般情況下，上升時發(fā)熱量最大，因為液壓系統(tǒng)提供的能量很大一部分用來化為機械手的構件的勢能，由于限壓試變量泵在流量不同時，下率相差極大，所以分別計算最大，最小時的發(fā)熱量，然后加以比較，取數值大者進行分析。 當V=1500cm/min時 Q=m/min=25.9L/min 此時泵的效率為0.7，泵的出口壓力為3.2MPa，則有 ==1.38Kw =Fv=13600=4.005Kw 此時的功率損失為： 1.3533kW 當v=125cm/min時，q=9042L/min,總效率=0.7 則==0.718Kw =Fv=13600125 3.5.7 設計手臂時注意的問題 一、手臂應該剛度大，重量輕 我們設計的機械手懸伸長度比較長，若手臂的剛度不夠，則會導致手臂彎曲變形過大，就會引起手臂的定位不竟準，而且也直接影響活塞桿（大手臂）運動的靈活性。另外，手臂在起動或制動的過程中受到慣性力或者慣性力矩的作用，手臂將會發(fā)生顫動，由于手臂的顫動，也回影響手臂的定位精度，除了采用可靠的定位裝置外，應對手臂結構有一定的剛度要求，才能保證手臂的準確工作和一定的定位精度。 手臂懸伸的彎曲變形主要與手臂的抓取重量、手臂結構本身的材料、截面形狀以及幾何尺寸等有關。在相同的條件下，工字形截面梁的彎曲剛度比圓截面要大10~20倍；空心管的彎曲剛度為實心軸的4~5倍。而且，工字形梁和空心梁的重量比能承受同樣彎曲剛度的實心軸要輕的多，所以，在本次設計中，我們采用的是工字形的梁臂結構。它承受垂直方向的載荷能力大，而且手臂結構簡單輕巧。 二.應使手臂運動速度快、慣性大 手臂的運動速度是由形成大小、生產節(jié)拍的時間和運動平穩(wěn)性及抓重大小來決定的。一般情況下，我們設計的好艘比的移動和回轉速度均為等速運動（即V和為常數），但是在手臂啟動和制動的過程中，它的運動為加速和減速運動。理想狀態(tài)下，機械手在運動到形成終點的時候，加速度為零，所以停止的瞬間沒有慣性沖擊，這是最理想的狀態(tài)。但是因為加速度是變化的，手臂非等速運動，設計時就復雜的多。其運動曲線如圖所示： 由于制造設計的復雜性，我們放棄了理想中機械手的最佳運動方案。而采取了一般的設計。為了減少慣性沖擊，我們采取了以下的措施： （1） 手臂架選用鋁合金這種輕質材料來制造，以減輕手臂運動件的重量。 （2） 盡量縮短了手臂懸伸部分的長的，使手臂未伸出時的總重量的重心盡量靠近立柱，以減小回轉半徑，此外對編制程序時，應該盡量先縮回后再回轉或在較小的前伸位置下進行回轉，以減小慣性力矩。 （3） 減小手臂運動件的輪廓尺寸，使其結構緊湊。 （4） 在驅動系統(tǒng)中增設緩沖裝置，使運動減速緩沖。 四、 應使手臂傳動準確、導向性好 為了能準確的傳遞工件和保證傳動的平穩(wěn)，我們設計了導向和支承裝置，以保證手指的正確方向，并增強手臂的剛性。 五、 輸油管道的布置應合理 機械手的各工作油缸彼此在空間作相對的直線運動或回轉運動，要求結構緊湊、外觀整齊、動作靈活，因此對各工作油缸的輸油管道不止應給予足夠的重視，尤其是接近工作對象的手腕和手指夾緊缸，在外部用很多的軟管向油缸輸入壓力油，雖然軟管安裝和維修比較方便，但是它會影響機械手的運動，并且容易損傷，而且對外觀的整齊有影響。 所以，我們對機械手的輸油管道的布置，采用了從液壓操縱板引出油管，通到油路分配板處集中輸入，然后根據結構特點在缸壁或活塞桿等內部鉆孔形成管道，并采用回轉接頭和伸縮油管，將壓力油輸往運動部分的油缸，從而保證手臂的外形結構簡單整齊美觀，但是工藝性方面就受到了一定的影響。 總 結 參考文獻： ［1］ 羅迎社主編. 材料力學. 武漢理工大學出版社，2000. ［2］ 唐增寶，何永然，劉安俊主編.機械設計課程設計.華中理工大學出版社，1998. ［3］ 成大先主編.機械設計手冊——聯接與緊固.北京化學工業(yè)出版社，2004. ［4］ 曹玉平，閻祥安主編.液壓傳動與控制.天津大學出版社，2003. ［5］ 毛謙德，李振清主編.袖珍機械設