工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)（含三維proe仿真及CAD圖紙）,工業(yè),機(jī)械手,設(shè)計(jì),三維,proe,仿真,CAD,圖紙 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì) THE DESIGN OF INDUSTRIAL MANIPULATOR 摘要 在自動(dòng)化生產(chǎn)中，工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)發(fā)展必要的高科技生產(chǎn)設(shè)備。本論文首先對(duì)工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展應(yīng)用及組成分類進(jìn)行了介紹。接著從工業(yè)機(jī)械手的基本功能設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)機(jī)械手的功能原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)及三維建模分別進(jìn)行了詳細(xì)闡述。綜合運(yùn)用了大學(xué)期間有關(guān)于機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械自動(dòng)化方面的知識(shí)，完成了對(duì)此次機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算，并繪制了相應(yīng)的工業(yè)機(jī)械手裝配圖及各零部件圖。最后還運(yùn)用三維仿真軟件對(duì)本次設(shè)計(jì)機(jī)械手進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，抓取了機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)曲線。 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)的主要技術(shù)關(guān)鍵問題為：夾持機(jī)構(gòu)的夾緊與翻轉(zhuǎn)；行程機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向與伸縮；提升機(jī)構(gòu)的提升；液壓系統(tǒng)元件的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 工業(yè)機(jī)械手；夾持；液壓系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)仿真 Abstract In automatic production, industrial manipulator is necessary industrial development of high-tech production equipment. Firstly the industrial development of the application and classification of the manipulator are introduced in this paper. Then starting from the basic function of industrial manipulator design, the function of the manipulator principle, structure design, hydraulic system and 3 d modeling in detail respectively in this paper. Integrated use of the university knowledge of mechanical design, mechanical automation, completed the design and calculation of the manipulator, and draw the corresponding industrial manipulator assembly drawing and parts drawing. Finally, using 3 d simulation software for the design of manipulator motion simulation, grab the manipulator hand movement curve. 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 hydraulic system components. Keywords：Industrial mechanical hand；Gripper；The hydraulic system；Motion simulation II 目 錄 摘要 I Abstract II 1 緒論 1 1.1 工程機(jī)械手簡(jiǎn)述 1 1.1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)史 1 1.1.2 機(jī)械手應(yīng)用介紹 1 1.2 機(jī)械手的組成分類 2 1.2.1機(jī)械手的組成 2 1.2.2機(jī)械手的分類 2 1.3本次課題研究的主要內(nèi)容 3 1.3.1主要內(nèi)容及要求 3 1.3.2 研究?jī)?nèi)容擬解決的問題 3 2 工業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 4 2.1 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案擬定 4 2.2機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案選定 5 2.3工業(yè)機(jī)械手主要參數(shù) 6 3 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.1機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 8 3.1.1機(jī)械手夾緊力計(jì)算 8 3.1.2液壓缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 9 3.1.3液壓缸主要尺寸計(jì)算 10 3.1.4液壓缸活塞桿計(jì)算及校核 11 3.1.5活塞的選用設(shè)計(jì) 11 3.1.6復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算 12 3.1.7液壓缸端蓋、管接頭選擇及油管管道尺寸計(jì)算 14 3.1.8機(jī)械手腕部回轉(zhuǎn)缸設(shè)計(jì)計(jì)算 15 3.2機(jī)械手腕部設(shè)計(jì) 17 3.3機(jī)械手手臂設(shè)計(jì) 18 3.4機(jī)械手機(jī)身底座設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.5機(jī)械手回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算 21 3.5.1回轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 21 3.5.2回轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)計(jì)算 22 4 液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 4.1液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 4.1.1調(diào)壓回路 28 4.1.2調(diào)速回路 29 4.1.3保壓回路 29 4.1.4換向回路 30 4.1.5緩沖回路 30 4.2液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 4.3液壓泵以及液壓元件的選擇 31 5 機(jī)械手三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真 33 5.1機(jī)械手三維建模處理 33 5.1.1機(jī)械手手部零件建模 33 5.1.2機(jī)械手液壓缸建模 33 5.1.3機(jī)械手手臂建模 34 5.1.4機(jī)械手手腕建模 34 5.1.5機(jī)械手回轉(zhuǎn)工作臺(tái)建模 35 5.2機(jī)械手ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真 36 5.2.1ADAMS模型導(dǎo)入 36 5.2.2機(jī)械手約束添加 37 5.2.3 ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真 38 結(jié)論 40 致謝 41 參考文獻(xiàn) 42 42 1 緒論 1.1 工程機(jī)械手簡(jiǎn)述 近些年來，工業(yè)機(jī)械手成為產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化控制的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)。工業(yè)機(jī)械手融入了許多學(xué)科知識(shí)，成為產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化的代名詞。機(jī)械手的主要功能在于代替人工進(jìn)行作業(yè)，并且能夠完全自動(dòng)化的、有控制的完成工業(yè)勞動(dòng)。隨著人類的產(chǎn)業(yè)升級(jí)，越來越高級(jí)的機(jī)械手能夠完成更多更復(fù)雜的作業(yè)以及在人類無法適應(yīng)的環(huán)境下完成動(dòng)作，機(jī)械手的發(fā)展越來越廣泛。 1.1.1 機(jī)械手簡(jiǎn)史 機(jī)械手起始于古代自動(dòng)機(jī)械裝置，早在20世紀(jì)中期就開始研究了。一方面，計(jì)算機(jī)技術(shù)機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)械手趨向于自動(dòng)智能化。同時(shí)，自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展源自工廠大批量生產(chǎn)，各式各樣的機(jī)械手紛紛現(xiàn)世。另一方面，因?yàn)楹四芗夹g(shù)的研究要求，在有輻射的環(huán)境下，機(jī)械手代替人工來完成任務(wù)。在這樣的發(fā)展背景下，美國(guó)工業(yè)最早研究機(jī)械手。先后開發(fā)了遙控機(jī)械手、主從式機(jī)械手、示教型機(jī)械手等等。此后，美國(guó)又試制了一臺(tái)控制系統(tǒng)為數(shù)控示教再現(xiàn)型的Unimate機(jī)械手。同一年，Versatrap機(jī)械手試制成功，其控制系統(tǒng)以磁鼓作為內(nèi)存儲(chǔ)器，并在之后發(fā)展成為球坐標(biāo)式通用機(jī)械手。這兩種不同的機(jī)械手，為國(guó)外工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。隨著各方面的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制系統(tǒng)應(yīng)用、電子技術(shù)以及人工智能等使機(jī)械手功能越來越全面，專用型的機(jī)械手也慢慢向通用型轉(zhuǎn)換。 就目前來說，機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外仍是頗受重視，在自機(jī)械手被研究設(shè)計(jì)以來，這方面的技術(shù)研究一直都比較火熱。從第一代機(jī)械手被研制以來，第二代主要用來裝卸和傳送工物件。而之后，機(jī)械手在汽車行業(yè)裝配線的應(yīng)用使得第二代機(jī)械手達(dá)到成熟階段。此后，機(jī)械手在特殊領(lǐng)域內(nèi)得到相對(duì)較大的發(fā)展，如醫(yī)療、航天等等。 1.1.2 機(jī)械手應(yīng)用介紹 隨著當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展的越來越快，機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中的機(jī)械化及自動(dòng)化發(fā)展成為當(dāng)今最為矚目的話題。隨著工業(yè)發(fā)展越來越趨向于大型化及微型化發(fā)展，大批量生產(chǎn)時(shí)如何更高效的進(jìn)行加工、小批量生產(chǎn)時(shí)如何更迅速的生產(chǎn)，機(jī)械手的應(yīng)用及發(fā)展越來越普及。 （1）制造方面的應(yīng)用： 機(jī)械手在制造業(yè)中代替人去完成各種惡劣環(huán)境下的工作（如高溫、真空等工作環(huán)境）以及需要笨重的體力勞動(dòng)。隨著工業(yè)生產(chǎn)工作效率的提高、工件大型化、產(chǎn)品精度等級(jí)提升及人員安全等要求，搬運(yùn)及裝配等工序過程中，機(jī)械化以及自動(dòng)化要求變得越來越重要。 （2） 服務(wù)方面的應(yīng)用 隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)械手在服務(wù)業(yè)發(fā)展迅速。在軍事方面，讓機(jī)器人執(zhí)行一些自動(dòng)探查與搜索的任務(wù)，還能夠代替人工完成完成一些不復(fù)雜的工程建設(shè)及后勤服務(wù)等，從而減少士兵勞動(dòng)量。在生活方面，能夠?yàn)槿祟愅瓿筛鞣N要求，從灑掃機(jī)器人到烹飪?cè)俚綑C(jī)器人保姆等等，機(jī)器人在服務(wù)行業(yè)越來越人性化。 此外，機(jī)器人還可以輔助監(jiān)測(cè)病房?jī)?nèi)的空氣質(zhì)量，協(xié)助醫(yī)生完成一些高難度手術(shù)等等。 1.2 機(jī)械手的組成分類 1.2.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要是由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等其他元器件組成的。 機(jī)械手手部的作用是用來抓取以及放置物件的，其主要由手指、傳力部分組成的；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要作用是用來改變物件的一些位置以及方向的，它主要包括手臂和手腕；驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是用來提供動(dòng)力的，其主要包括液壓型的驅(qū)動(dòng)、氣壓型的驅(qū)動(dòng)以及電力型的驅(qū)動(dòng)；控制機(jī)構(gòu)主要是用來控制物件的一些位置與時(shí)間的；其他機(jī)構(gòu)，比如機(jī)體，傳感器機(jī)構(gòu)等。 1.2.2機(jī)械手的分類 機(jī)械手可以分為以下四類： 1. 按機(jī)械手使用的范圍： （1） 專用類機(jī)械手，這一類的機(jī)械手一般只有固定的程序。它在某種機(jī)器或生產(chǎn)線進(jìn)行傳輸或操作某一物件，比如給毛坯進(jìn)行上下料的機(jī)械手、自動(dòng)裝配機(jī)械手以及自動(dòng)車銑機(jī)械手等等。這種專用型的機(jī)械手結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，成本也比較低廉，更適用于一些大批量簡(jiǎn)單操作的生產(chǎn)單位中。 （2） 通用類機(jī)械手，這一類機(jī)械手具有可變和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不再是某種機(jī)器，而是能自動(dòng)完成物件傳送或操作的機(jī)械裝置。通過其定位方式和控制方式的不同，通用類機(jī)械手可以分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種。簡(jiǎn)易型只能夠點(diǎn)位控制，屬于程序控制機(jī)械手，伺服型則既能夠進(jìn)行點(diǎn)位控制，也能夠連續(xù)軌跡控制，屬于數(shù)字控制類型機(jī)械手。 2.按機(jī)械手使用功能： （1） 簡(jiǎn)易型，該工業(yè)機(jī)械手多由氣壓驅(qū)動(dòng)或液壓驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)來說比較簡(jiǎn)單，分為固定程序和可變程序兩種。簡(jiǎn)易型機(jī)械手一般只適用于較為簡(jiǎn)單的點(diǎn)位控制，只做一些簡(jiǎn)單的搬運(yùn)作業(yè)。 （2） 記憶再現(xiàn)型，此類機(jī)械手擁有記憶元件，能夠?qū)?dòng)作程序記錄下來，此后機(jī)械手就將按記錄下來的程序一遍一遍重復(fù)循環(huán)動(dòng)作。 （3） 數(shù)字控制型，這一類機(jī)械手能夠進(jìn)行編程控制，其動(dòng)作程序可以更換，適應(yīng)場(chǎng)合及范圍更廣，還可以多臺(tái)計(jì)算機(jī)控制。此類機(jī)械手多配備有可編程控制器或者微型計(jì)算機(jī)。 （4） 人工智能型，該機(jī)械手通過計(jì)算機(jī)對(duì)各種傳感元件的感知進(jìn)行控制，具有視、聽、觸、熱以及行走機(jī)構(gòu)。 1.3本次課題研究的主要內(nèi)容 1.3.1主要內(nèi)容及要求 本次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手要將工件從一工作臺(tái)移至另一工作臺(tái)。工件為圓柱形鑄鐵件，其直徑范圍：20—80mm、高度范圍：50—150mm，工件重量小于20Kg。其定位精度為±0.5mm。兩工作臺(tái)之間平行且距離為1500mm。一工作臺(tái)處于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。 工作量要求： 1.有關(guān)文獻(xiàn)研讀； 2.完成設(shè)備總裝配圖以及部分重要零部件圖，A0 1張，A1、A2等數(shù)張； 3. 完成設(shè)計(jì)說明書1份，不少于15000字，打印裝訂成冊(cè)； 4.完成不少于5000漢字的英譯漢。 1.3.2 研究?jī)?nèi)容擬解決的問題 1、對(duì)工業(yè)機(jī)械手各主要組成部分進(jìn)行分析，由此來確定機(jī)械手各個(gè)部件的主要構(gòu)造，并對(duì)各主要部件進(jìn)行分析計(jì)算。 2、確定機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)的各種功能，如：手抓去，腕回轉(zhuǎn)，臂伸縮。 3、設(shè)計(jì)機(jī)械手的傳動(dòng)系統(tǒng)以及對(duì)機(jī)械手各部件可靠性的校驗(yàn)。 2 工業(yè)機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案擬定 工業(yè)機(jī)械手是一種自動(dòng)化的機(jī)械裝置，能夠按照一定的程序、軌跡以及要求仿照人手，去實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)、卸下甚至其他更復(fù)雜的操作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)機(jī)械手能夠獨(dú)立的按照設(shè)定程序自動(dòng)重復(fù)作業(yè)，直至完成生產(chǎn)要求。 根據(jù)此次設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求，本次機(jī)械手設(shè)計(jì)需具備取卸物料、傳輸物料等功能。根據(jù)此次設(shè)計(jì)要求，有以下多種設(shè)計(jì)方案： （1） 機(jī)械手臂為直角坐標(biāo)式，產(chǎn)線為線性布置，機(jī)械手能夠按照順序依次完成動(dòng)作。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，配線容易且自由度少；其缺點(diǎn)是機(jī)械手需要架空行走、油液站不能固定，讓設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度增大的同時(shí)也讓運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量增大。 圖2-1 坐標(biāo)式機(jī)械手布局示意圖 （2）采用立柱式機(jī)身，機(jī)械手從側(cè)面按順序完成作業(yè)動(dòng)作，產(chǎn)線仍呈直線布置。此方案的優(yōu)點(diǎn)是液壓站集中設(shè)計(jì)，且電氣、油路的連接可以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)連接，缺點(diǎn)是占地面積較大，手臂懸伸較長(zhǎng)。 圖2-2 立柱式機(jī)械手示意圖 （3）采用機(jī)座式機(jī)身，產(chǎn)線環(huán)繞機(jī)械手機(jī)座布置，機(jī)械手按順序完成作業(yè)動(dòng)作。此方案既有集中電液又有占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，還具備從低處抓取工件的功能。 圖2-3 機(jī)座式機(jī)械手示意圖 2.2機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案選定 機(jī)械手采用夾鉗式抓取機(jī)構(gòu)，送放機(jī)構(gòu)由手臂、手腕、回轉(zhuǎn)臺(tái)以及液壓缸等裝置組成。其運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式為球坐標(biāo)式機(jī)械手，有五個(gè)自由度。手腕能夠進(jìn)行抓取及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，指型結(jié)構(gòu)為平面型，由液壓缸推動(dòng)活塞拉動(dòng)杠桿以?shī)A緊工件。 通過銷軸將機(jī)械手腕部和手臂連接并定位，一端用螺母鎖死。利用鉸鏈將腕部與液壓伸縮缸活塞桿連接，這樣，伸縮缸活塞做直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)使腕部繞著回轉(zhuǎn)銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械手腕部的回轉(zhuǎn)動(dòng)作則由回轉(zhuǎn)油缸來完成。 機(jī)械手手臂可以相對(duì)機(jī)身進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，能夠繞過障礙夾送工件。機(jī)械手俯仰運(yùn)動(dòng)由直動(dòng)式液壓缸驅(qū)動(dòng)，具有工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)身回轉(zhuǎn)工作臺(tái)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行傳動(dòng)，并且利用擋塊限制構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，起到定位作用，定位誤差大于0.5小于1mm。在常用的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確；此外在滿足使用功能、強(qiáng)度等條件下，齒輪傳動(dòng)能夠滿足機(jī)構(gòu)緊湊要求。而且，設(shè)計(jì)制造正確合理齒輪工作可靠程度以及使用壽命更是其他機(jī)械傳動(dòng)所不能比擬的。 圖2-4液壓機(jī)械手 本次設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)械手具有五個(gè)自由度，包括機(jī)械手手腕的抓放、旋轉(zhuǎn)、俯仰，機(jī)械臂的俯仰以及機(jī)身工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)五個(gè)動(dòng)作。 2.3工業(yè)機(jī)械手主要參數(shù) 工業(yè)機(jī)械手的主要參數(shù)可以分為三種：主要功能參數(shù)、規(guī)格參數(shù)以及液壓系統(tǒng)參數(shù)。 主要功能參數(shù)： 1、機(jī)械手抓重 工業(yè)機(jī)械手的抓重是機(jī)械手所能抓取工件的最大重量，按照設(shè)計(jì)任務(wù)書上的要求，根據(jù)外形要求及材料考慮，假設(shè)材料為鑄鐵，其密度為，取工件本身質(zhì)量為12kg。又工業(yè)機(jī)械手有一定安全度要求，取其安全系數(shù)為1.3，則得到機(jī)械手抓重G為15kg。 2、自由度數(shù) 工業(yè)機(jī)械手的自由度數(shù)的多少表明了機(jī)械后運(yùn)動(dòng)是否靈活，越多的自由度數(shù)意味著機(jī)械手功能跟強(qiáng)大，能夠適應(yīng)更多的工作環(huán)境。但與此同時(shí)，自由度數(shù)越多則意味著機(jī)械手的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜、制造精度越高，所以既能很好的完成作業(yè)任務(wù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)又不太復(fù)雜的機(jī)械手自由度數(shù)一般為4~5。由自由度數(shù)計(jì)算公式 式（2.1） 有=65-55=5，即其自由度數(shù)為5。 3、工作速度 機(jī)械手在其工作范圍內(nèi)的平均運(yùn)動(dòng)速度就是機(jī)械手的工作速度，工作速度是機(jī)械手工作頻率以及生產(chǎn)率的一個(gè)重要參數(shù)。機(jī)械手工作速度越快，其工作效率越高，生產(chǎn)效率更快。但是工作的高速帶來運(yùn)動(dòng)過程中更大的機(jī)械撞擊及震動(dòng)，對(duì)于機(jī)械手的工作精度及其使用壽命都有較大影響。因此，一般機(jī)械手的工作速度都根據(jù)生產(chǎn)安全、生產(chǎn)要求、產(chǎn)品精度以及機(jī)械手使用壽命來確定。 4、工作范圍 機(jī)械手的工作范圍與機(jī)械手的抓重、行程、回轉(zhuǎn)范圍等多方面因素有關(guān)。為使機(jī)械手具有更強(qiáng)的工作適應(yīng)性、更大的工作范圍，一般機(jī)械手的最大工作范圍由其活動(dòng)范圍確定，即一個(gè)球面的區(qū)域。 5、位置精度 位置精度是衡量機(jī)械手在工作時(shí)生產(chǎn)的產(chǎn)品是否合格的一個(gè)重要參數(shù)。因此，設(shè)計(jì)機(jī)械手的時(shí)候?qū)τ诠ぜㄎ?、抓取精度、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性以及抓取能力對(duì)其位置精度有著很高的要求。位置的控制方式和機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件的強(qiáng)度、剛度都能影響位置精度的高低，此外機(jī)械手的抓重以及工作速度也影響著其位置精度。 液壓系統(tǒng)主要性能參數(shù)確定： 液壓執(zhí)行元件的工作壓力p以及最大流量q影響了液壓系統(tǒng)正常工作的主要性能。液壓執(zhí)行元件的工作壓力以及最大流量是計(jì)算和選擇液壓元件、輔件以及電機(jī)的主要依據(jù)。液壓系統(tǒng)的工作壓力可根據(jù)最大負(fù)載參照表選取，也可根據(jù)設(shè)備類型參照表選取。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是否經(jīng)濟(jì)合理取決于工作壓力的大小。查表，擬選液壓系統(tǒng)工作壓力為1.6MPa?？紤]到進(jìn)油油路的壓損問題，取。又因?yàn)橐簤合到y(tǒng)中有漏油等問題，取修正系數(shù)，機(jī)械手抓取及回轉(zhuǎn)的工作壓力為1.3MPa，選用流量4.5L/min。 式（2.2） 式（2.3） 代入數(shù)據(jù)可計(jì)算出： ，可知符合設(shè)計(jì)要求。 3 機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.1機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)又稱手部，是機(jī)械手的關(guān)鍵部位之一，用來直接抓取工件或工具按規(guī)定程序完成動(dòng)作。工業(yè)機(jī)械手的夾持結(jié)構(gòu)因?yàn)樽ト」ぜ耐庑?、尺寸、材料組成、質(zhì)量等不同而多種多樣。一般來說，根據(jù)夾持工件的原理，機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)可以分為吸附與夾持兩種。夾鉗式抓取機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及手指三部分組成。夾持式抓取機(jī)構(gòu)具有更大的適應(yīng)性，能夠?qū)S、盤或其他非標(biāo)轉(zhuǎn)零件進(jìn)行抓取。其驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力（動(dòng)力源分為液壓、氣壓和電動(dòng)等），傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則通過齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)、渦輪蝸桿等實(shí)現(xiàn)手指的夾緊或者松開。 平移型抓取機(jī)構(gòu)通過手指的平移來夾取平板類、方塊類以及圓柱類物料。同時(shí)，在夾取不同直徑圓柱棒料時(shí)不會(huì)引起中心軸線的偏移。但此類抓取機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)復(fù)雜、精度要求更高。而回轉(zhuǎn)型抓取機(jī)構(gòu)的張開閉合則依靠手指樞軸支點(diǎn)的回轉(zhuǎn)來完成。單支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型樞軸支點(diǎn)為一個(gè)，雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型樞軸支點(diǎn)則為兩個(gè)?；剞D(zhuǎn)型抓取機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)相對(duì)更為簡(jiǎn)單、形狀更為小巧，缺點(diǎn)是抓取不同工件時(shí)則會(huì)產(chǎn)生定位誤差。 根據(jù)任務(wù)書設(shè)計(jì)要求以及機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，本次機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)為確定為夾鉗式雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型機(jī)械手。 3.1.1機(jī)械手夾緊力計(jì)算 加載在工件上的夾緊力對(duì)于機(jī)械手手部計(jì)算至關(guān)重要，必須對(duì)其進(jìn)行受力分析和計(jì)算。夾緊力計(jì)算公式： 式（3.1） 圖3-1水平夾持物體受力圖 當(dāng)手指水平夾持水平懸臂工件時(shí)，取夾緊力的方位系數(shù) 式（3.2） 其中，L=50mm，H=80mm 考慮到工件在移動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生慣性力、摩擦力等，影響機(jī)械的效率，故實(shí)際夾緊力： 式（3.3） 式中： ——機(jī)械效率，=0.85~0.95 取=0.9 ——安全系數(shù)，=1.2-2 取=1.5 ——工件情況系數(shù)，，機(jī)械手最高響應(yīng)時(shí)間0.2s，故此 式（3.4） 3.1.2液壓缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 圖3-2 液壓缸驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)受力圖 由圖可得液壓缸機(jī)械手爪的受力公式： 式（3.5） 因?yàn)? 式（3.6） 所以 式（3.7） 根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)可得 3.1.3液壓缸主要尺寸計(jì)算 根據(jù)公式計(jì)算可得液壓缸內(nèi)徑： 式（3.8） 帶入，，得： 按JB-826-66標(biāo)準(zhǔn)，取D=30mm，d=10mm 液壓缸壁厚按薄壁計(jì)算，根據(jù) 式（3.9） 為試驗(yàn)壓力， 為許用應(yīng)力，液壓缸材料選用30鋼，=200MPa 代入數(shù)據(jù)得， 考慮到工藝要求，取 液壓缸外徑及長(zhǎng)度計(jì)算： 式（3.10） 長(zhǎng)度 取 。 3.1.4液壓缸活塞桿計(jì)算及校核 液壓缸活塞桿的材料選用45鋼，查詢機(jī)械材料手冊(cè)對(duì)活塞桿直徑d進(jìn)行計(jì)算： 式（3.11） 其中，計(jì)算得，則有 根據(jù)GB/T 2348-1993選定活塞桿：D=10mm。 由，可知，活塞桿強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。 3.1.5活塞的選用設(shè)計(jì) 活塞材料選用20鋼，考慮到密封及緊固問題，將活塞設(shè)計(jì)如下圖所示： 圖3-3 活塞 因?yàn)檫x用標(biāo)準(zhǔn)密封件，故活塞開槽尺寸得以確定。 活塞的密封圈采用Y型密封圈。Y型密封圈是一種典型的唇形密封圈，因其截面呈Y形故稱Y型密封圈。Y型密封圈的使用壽命遠(yuǎn)高于O型密封圈。因Y型密封圈具有可靠的密封性、較小的摩擦阻力、平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)性能以及較好耐壓性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)中。 此外，活塞桿與活塞的定位采用活塞桿的軸肩定位，采用調(diào)整墊片調(diào)節(jié)其松緊，并利用開槽圓螺母將其鎖緊。因?yàn)榛钊麠U直徑確定為，軸肩高度為1mm，對(duì)于圓螺母的選用，可采用M8圓螺母。查標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6179-1986，可知其尺寸如下圖： 圖3-4 開槽圓螺母 同時(shí)，查其相配合使用的開口銷，材料為Q2115或者Q235。 圖3-5 開口銷 3.1.6復(fù)位彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算 圖3-6 復(fù)位彈簧鋼絲受力分析圖 液壓缸復(fù)位設(shè)計(jì)采用彈簧復(fù)位，彈簧鋼絲的直徑根據(jù)其強(qiáng)度條件來選擇： 因?yàn)樵谝话爿d荷工作情況下，可以考慮第三類彈簧。根據(jù)，預(yù)估彈簧直徑為3mm，選用C級(jí)彈簧絲。查表可知：，并可以計(jì)算出。 表3-1常用旋繞比C值 d/mm 彈簧絲截面為圓截面，其彈簧曲度系數(shù)計(jì)算公式如下式所示： 式（3.12） 由常用旋繞比表可知旋繞比C在，取C=6，則得出： 式（3.13） 計(jì)算出。與預(yù)估值相近，故取可知彈簧鋼絲大徑 計(jì)算彈簧鋼絲圈數(shù)n，此時(shí)彈簧鋼絲剛度為： 式（3.14） 代入數(shù)據(jù)得：。 查表可得G=82000MPa，則 式（3.15） 帶入數(shù)值，得，取整數(shù)n=5 對(duì)所設(shè)計(jì)彈簧進(jìn)行校核 （1） 彈簧初拉力，由公式 式（3.16） 可以求出：，符合設(shè)計(jì)要求。 （2） 極限工作應(yīng)力，取，則 。 （3） 極限工作載荷計(jì)算： 式（3.17） 圖3-7彈簧幾何尺寸參數(shù) 查詢標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1239.6-1992，彈簧鋼絲直徑選定為4mm、自由高度為11mm、中徑為28mm，彈簧鋼絲的有效圈數(shù)為5。彈簧材料為65Mn，硬度要求達(dá)到。 3.1.7液壓缸端蓋、管接頭選擇及油管管道尺寸計(jì)算 圖3-8液壓缸端蓋 液壓缸端蓋的連接方式采取法蘭式連接，法蘭式連接的優(yōu)點(diǎn)是拆卸方便、強(qiáng)度高以及密封性好。因O型密封圈的截面尺寸小、密封性能好、摩擦系數(shù)小、可用于靜密封和滑動(dòng)密封等優(yōu)點(diǎn)，適用于本次端蓋密封，故端蓋上的密封圈采用O型密封圈。 管接頭采用擴(kuò)口式管接頭，管接頭采用55°密封管螺紋，內(nèi)外螺紋配合更具密封性。 圖3-9管接頭 油管管道內(nèi)徑由油管內(nèi)油液流速及流量來確定： 式（3.18） q——通過油管流量 ——油管中油液流速 取油管內(nèi)流速，根據(jù)GB/T 1047-1995可得油管管徑為3mm。 3.1.8機(jī)械手腕部回轉(zhuǎn)缸設(shè)計(jì)計(jì)算 回轉(zhuǎn)缸采用單葉片式回轉(zhuǎn)缸（也叫擺動(dòng)液壓缸），由定子塊、左右支承盤、擺動(dòng)軸、葉片、及缸體等零件組成。定子塊則被固定在缸體上，當(dāng)兩油口通以液壓油時(shí)，因?yàn)槿~片和擺動(dòng)軸固連在一起，所以葉片將帶動(dòng)擺動(dòng)軸進(jìn)行擺動(dòng)。 單葉片式回轉(zhuǎn)缸輸出扭矩： 式（3.19） 式（3.20） 式中： Z——葉片數(shù)； D——葉片厚度； d——擺動(dòng)軸直徑； ——進(jìn)口壓力； ——出口壓力； q——輸入油量 回轉(zhuǎn)缸油壓選用1.6MPa，出口壓力約為0.2MPa。為了便于葉片固定，初步將擺動(dòng)軸直徑d定為25mm。 圖3-10 回轉(zhuǎn)缸剖面圖 葉片與擺動(dòng)軸之間由定位銷定位，選用內(nèi)螺紋圓錐銷是因?yàn)榉奖悴鹦都熬S修，而底部螺紋孔則起到拔銷作用。查標(biāo)準(zhǔn)GB/T 118-2000可知A型內(nèi)螺紋圓錐銷最為合適。 圖3-11 內(nèi)螺紋圓錐銷 本次設(shè)計(jì)將液壓伸縮缸及回轉(zhuǎn)缸結(jié)合使用，回轉(zhuǎn)缸的擺動(dòng)軸由伸縮缸后端部構(gòu)成，是為了結(jié)構(gòu)更為緊湊方便操作，同時(shí)也能夠集中控制液壓系統(tǒng)。 圖3-12回轉(zhuǎn)缸伸縮缸組合剖視圖 3.2機(jī)械手腕部設(shè)計(jì) 通過銷軸機(jī)械手腕部與機(jī)械手手臂鉸接，使得腕部與機(jī)械手臂能夠繞著銷軸相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。在銷軸與機(jī)械手臂之間加一個(gè)耐磨青銅軸套，以保證銷軸回轉(zhuǎn)精度和延長(zhǎng)其使用壽命。軸套與機(jī)械手臂采用基孔制配合，為防止軸與軸套在回轉(zhuǎn)過程中因熱量產(chǎn)生變形，選用配合。機(jī)械手腕部回轉(zhuǎn)由液壓伸縮缸驅(qū)動(dòng)，液壓伸縮缸活塞桿與固定在腕部的連桿連接。 圖3-13活塞桿接頭結(jié)構(gòu)圖 圖3-13為液壓缸活塞桿接頭構(gòu)造圖，接頭孔徑為，與之相對(duì)的活塞桿直徑也為。 圖3-14液壓缸雙耳環(huán)支座參數(shù) 3.3機(jī)械手手臂設(shè)計(jì) 機(jī)械手手臂作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，可由下圖運(yùn)算出驅(qū)動(dòng)力： 圖3-15機(jī)械手手臂受力圖 式（3.21） （） 式（3.22） 式（3.23） 式（3.24） 式（3.25） 式中： P——作用在活塞上的驅(qū)動(dòng)力； P——液壓缸工作力； D——伸縮缸內(nèi)徑； ——密封裝置的摩擦阻力； ——非工作缸油壓。 當(dāng)機(jī)械手臂處于俯角時(shí)，驅(qū)動(dòng)力力矩為： 當(dāng)手臂處于水平位置時(shí)，，此時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩為： 當(dāng)機(jī)械手手臂作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)力力矩需克服手臂作俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的偏重力矩、慣性力矩以及各運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦力矩。即： 式（3.26） 初步確定機(jī)械手手臂尺寸： 圖-16機(jī)械手手臂 機(jī)械手手臂受力分析 圖3-17 手臂受力分析 根據(jù)手臂在水平方向上的力平衡公式：，則有 式（3.27） 同理，豎直方向上力平衡公式：，則有 式（3.28） 在O點(diǎn)，所有力力矩平衡：，則有： 3.4機(jī)械手機(jī)身底座設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)械手機(jī)身底座設(shè)有安裝耳環(huán)，液壓缸耳環(huán)與機(jī)身底座安裝耳環(huán)通過銷軸鉸接，并用螺栓鎖死。既能保證液壓缸在回轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)中不會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)又能夠滿足液壓缸在機(jī)身上的定位要求。機(jī)身底座設(shè)計(jì)如下圖： 圖3-18機(jī)械手機(jī)身底座 具體機(jī)身底座設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 圖3-19機(jī)身底座具體參數(shù) 3.5機(jī)械手回轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的箱體上設(shè)有光孔，并且有安裝底座，因此機(jī)械手機(jī)身底座可以安放在工作臺(tái)上。箱體材料選用HT200中等材料的灰鑄鐵，并經(jīng)過時(shí)效處理。本次機(jī)械手的定位方式將行程開關(guān)以及機(jī)械擋塊結(jié)合使用。機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度時(shí)，碰到擋塊并壓下行程開關(guān)（設(shè)置擋塊為保證回轉(zhuǎn)精度）。由壓力繼電器發(fā)出信號(hào)，經(jīng)時(shí)間繼電器控制，使得機(jī)械手停頓一段時(shí)間再開始進(jìn)行下一個(gè)動(dòng)作（停頓時(shí)間由時(shí)間繼電器設(shè)定）。 3.5.1回轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì) 圖3-20圓錐直齒輪 通過一對(duì)軸交角為90°的圓錐直齒輪可以將水平方向的扭矩轉(zhuǎn)換為豎直方向的扭矩。因?yàn)橹饼X錐齒輪具有齒形簡(jiǎn)單、容易制造以及低成本等優(yōu)點(diǎn)，故采用直齒錐齒輪。齒輪材料選用45鋼，需調(diào)質(zhì)處理并表面淬火，使其硬度要求達(dá)到。 為了保證傳動(dòng)的連續(xù)性，傳動(dòng)軸上齒輪的安裝位置應(yīng)可靠，又因?yàn)榭仗X輪和固定齒輪通常用彈性檔圈、軸肩、隔套和半圓環(huán)等作軸向固定。在這里采用隔套，并利用齒輪壓板將齒輪進(jìn)行軸向定位和緊固。 圖3-21齒輪軸向定位 3.5.2回轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)要求得知，設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸時(shí)在滿足必要的強(qiáng)度要求外還需要有一定的剛度。為避免傳動(dòng)軸在疲勞載荷作用下發(fā)生損壞，需要對(duì)傳動(dòng)軸的強(qiáng)度要求進(jìn)行計(jì)算。而傳動(dòng)軸是否會(huì)在在載荷下產(chǎn)生過大的彎曲變形，則需要對(duì)其進(jìn)行剛度要求計(jì)算。因?yàn)榛剞D(zhuǎn)臺(tái)主傳動(dòng)系統(tǒng)精度要求不是很高，允許有少量的變形。因此，軸的強(qiáng)度不需要檢驗(yàn)（載荷很大的情況除外）。而如果剛度達(dá)不到要求，傳動(dòng)軸會(huì)因此產(chǎn)生過大變形，那么軸上的零部件（齒輪、軸承等）就不能正常工作。因此，必須要對(duì)傳動(dòng)軸進(jìn)行剛度計(jì)算，以保證其一定的在載荷下不發(fā)生變形。 選用45鋼作為傳動(dòng)軸的材料，對(duì)其進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理使其硬度達(dá)到。 傳動(dòng)軸的直徑設(shè)計(jì)計(jì)算： 式（3.29） 式中： d——傳動(dòng)軸的直徑 ——傳動(dòng)軸的許用應(yīng)力 T——傳動(dòng)軸的額定扭矩 查表可得：，T=9550000，則計(jì)算出傳動(dòng)軸直徑： 取安全系數(shù)，則d=27mm，將軸徑圓整取其值為30mm。 傳動(dòng)軸應(yīng)力校核： 式（3.30） 式中： ——軸截面上的工作應(yīng)力； M——軸截面上的合成彎矩； T——軸截面上的轉(zhuǎn)矩； ——根據(jù)轉(zhuǎn)應(yīng)力而定的應(yīng)力校正系數(shù) 根據(jù) 式（3.31） 算出，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)應(yīng)力在一定規(guī)律周期內(nèi)循環(huán)，即為脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力，故取α=0.7。 查手冊(cè)可得，T=9550，則 式（3.32） 傳動(dòng)軸剛度校核： 對(duì)于傳動(dòng)軸的彎曲剛度驗(yàn)算，主要是驗(yàn)算傳動(dòng)軸上的撓度和傾角（裝有齒輪和軸承）。傳動(dòng)軸的撓度和傾角應(yīng)小于其許用值和，即 表3-2各類傳動(dòng)軸的許用撓度及傾角 傳動(dòng)軸的類型 許用撓度 軸承類型 許用傾角 一般用途的軸 滑動(dòng)軸承 0.001 剛度要求較高的軸 向心球軸承 0.005 安裝齒輪的軸 圓柱滾子軸承 0.0025 由于此次設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)精度要求不高、由擋塊定位，且對(duì)于運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性要求不高及轉(zhuǎn)速不高，所以不需要對(duì)軸進(jìn)行開槽、鉆孔或者切制螺紋，軸的疲勞強(qiáng)度也不會(huì)因此受到影響。 圖3-22軸剖視圖 由于回轉(zhuǎn)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)時(shí)所需的扭矩較大，故采用花鍵傳遞扭矩。又考慮到需要較大的承載能力以及需要具有較好的定心性及導(dǎo)向性等問題，決定使用矩形花鍵。 矩形花鍵軸的平均直徑： 式（3.33） 當(dāng)量直徑： 式（3.34） 慣性矩： 式（3.35） 花鍵的校核： 側(cè)面工作表面被壓潰是花鍵的主要失效形式，其連接強(qiáng)度的計(jì)算公式為： 式（3.36） 滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)計(jì)算 （1） 滾動(dòng)軸承的壽命計(jì)算： 壽命計(jì)算如下式： 式（3.37） 式中： L——滾動(dòng)軸承的額定壽命； C——滾動(dòng)軸承的額定動(dòng)載荷； P——滾動(dòng)軸承的當(dāng)量負(fù)載荷； ——滾動(dòng)軸承的壽命指數(shù)。對(duì)于球軸承：，對(duì)于滾子軸承：。 由于在實(shí)際計(jì)算中用小時(shí)數(shù)表示軸承的額定壽命更為方便，故可將上式變換為： 式（3.38） 式中： ——滾動(dòng)軸承的額定壽命； ——滾動(dòng)軸承的計(jì)算轉(zhuǎn)速； 滾動(dòng)軸承的當(dāng)量動(dòng)載荷計(jì)算公式為： 式（3.39） 式中： ——滾動(dòng)軸承的徑向負(fù)荷； ——滾動(dòng)軸承的軸向負(fù)荷； X——滾動(dòng)軸承的徑向系數(shù)； Y——滾動(dòng)軸承的軸向系數(shù)。 （2） 滾動(dòng)軸承的挑選 根據(jù)軸承額定靜負(fù)載的基本公式來挑選軸承，其計(jì)算公式為： 式（3.40） 式中： ——軸承的當(dāng)量靜載荷； ——軸承的額定靜負(fù)荷； ——安全系數(shù)。 式（3.41） 聯(lián)立以上兩式，取最大值。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇： 一般來說，電動(dòng)機(jī)的選擇分三個(gè)步驟 1、 電動(dòng)機(jī)的類型和結(jié)構(gòu)； 2、 電動(dòng)機(jī)的容量； 3、 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 式（3.42） 式中： ——步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量； ——步進(jìn)電機(jī)的進(jìn)給牽引力； ——步進(jìn)電機(jī)的步距角，初選； ——傳動(dòng)效率。 根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)效率表，齒輪、軸承和絲杠效率分別選擇為0.98、0.99、0.94。代入數(shù)據(jù)可得： 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 最大靜轉(zhuǎn)矩計(jì)算： 電機(jī)運(yùn)行頻率和最高啟動(dòng)頻率： 式（3.43） 式（3.44） 式中： ——最大切削進(jìn)給速度； ——最大快移速度； ——脈沖當(dāng)量。 計(jì)算出， 查得110BF004型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為遠(yuǎn)大于最大靜轉(zhuǎn)矩，所以能夠滿足最大靜轉(zhuǎn)矩要求?？紤]到會(huì)需要更大切削用量的問題，決定選用更大轉(zhuǎn)矩的130BF001型步進(jìn)電機(jī)。經(jīng)查驗(yàn)，130BF001型步進(jìn)電機(jī)的最高空載起動(dòng)頻率和運(yùn)行頻率均滿足要求。 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： 式（3.45） 式中： ——步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； G——工作臺(tái)及工件等移動(dòng)部件重量； ——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 130BF001式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算： 式（3.46） 將鋼材的材料密度代入上式得： 式中： ——圓柱體質(zhì)量； D——圓柱體直徑； L——圓柱體長(zhǎng)度。 由此計(jì)算出： 將其帶入式（1）得： 式（3.47） 由此計(jì)算出： 因?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生慣性匹配的問題，對(duì)其進(jìn)行對(duì)比計(jì)算： 由上式可知，滿足慣性匹配要求。 4 液壓驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 此次設(shè)計(jì)的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括調(diào)壓回路、調(diào)速回路、保壓回路、換向回路以及緩沖回路五個(gè)回路，液壓系統(tǒng)圖如下所示 圖4-1液壓系統(tǒng)原理圖 4.1.1調(diào)壓回路 為減少液壓系統(tǒng)中的動(dòng)力消耗和發(fā)熱等問題，一般液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力與工作負(fù)載息息相關(guān)。采用雙聯(lián)定量泵為其系統(tǒng)進(jìn)行供油，液壓系統(tǒng)最高工作壓力的調(diào)定或限制由溢流閥來決定。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，溢流閥常閉，液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力取決于外載荷；當(dāng)系統(tǒng)壓力值升高達(dá)到溢流閥調(diào)定壓力值時(shí)，溢流閥溢流，此時(shí)系統(tǒng)壓力為溢流閥的調(diào)定值。 圖4-2調(diào)壓回路 4.1.2調(diào)速回路 機(jī)械手作俯仰動(dòng)作時(shí)采用的是雙聯(lián)同步液壓缸，需要保持兩液壓缸以相同的位移及速度。同步回路由分流閥控制，使得進(jìn)入液壓缸的油液流量相等以此達(dá)到同步缸同步。此時(shí)，溢流閥更多是用于維持系統(tǒng)壓力，使其保持恒定。在調(diào)速回路中，正常工作時(shí)溢流閥為常開，溢出多余油液以維持系統(tǒng)壓力的平衡。 圖4-3調(diào)速回路 4.1.3保壓回路 此次設(shè)計(jì)中，保壓回路采用高壓小泵和低壓大泵復(fù)合使用。當(dāng)回路中壓力較低時(shí)，高壓小泵和低壓大泵同時(shí)供油；當(dāng)壓力逐步提升至卸荷閥調(diào)定壓力值時(shí)，小泵供油維持溢流閥調(diào)定壓力值，大泵卸荷不工作。液壓系統(tǒng)在保壓時(shí)液壓缸微量移動(dòng)，只有小泵供油，系統(tǒng)能耗較低。 圖4-4保壓回路 4.1.4換向回路 換向回路主要由換向閥控制，換向閥選用三位四通換向閥，其機(jī)能為O型。當(dāng)閥芯處于中位時(shí)各油路封閉不卸荷、液壓缸封閉并鎖緊。 圖4-5三位四通換向閥 當(dāng)機(jī)械手臂轉(zhuǎn)動(dòng)到一定角度時(shí)，手臂碰到擋塊停留一段時(shí)間。這時(shí)候，液壓缸活塞桿不移動(dòng)但仍保持一定壓力，以維持機(jī)械手工作壓力。此時(shí)換向閥處于中位機(jī)能，使得各油路封閉，通過重力加壓使整個(gè)回路變?yōu)椴顒?dòng)回路，為下一步油缸運(yùn)動(dòng)加速。 4.1.5緩沖回路 緩沖回路用蓄能器以減少?zèng)_擊，當(dāng)回路壓力迅速提升時(shí)，蓄能器能夠吸收系統(tǒng)流量脈動(dòng)，使得脈動(dòng)降低到很小的程度，實(shí)現(xiàn)緩沖。當(dāng)液壓系統(tǒng)所需流量較小時(shí)，蓄能器能夠?qū)⒍嘤嗟牧髁績(jī)?chǔ)存起來；當(dāng)液壓系統(tǒng)短時(shí)間所需流量較大時(shí)，蓄能器能夠?qū)?chǔ)存的壓力油釋放出來。此外，當(dāng)驅(qū)動(dòng)泵發(fā)生故障時(shí)，蓄能器還能作為應(yīng)急能源對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行緊急供油。 圖4-6緩沖回路 4.2液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)采用內(nèi)在反饋開環(huán)控制系統(tǒng)，內(nèi)在反饋系統(tǒng)內(nèi)部各參數(shù)之間互相聯(lián)系，對(duì)動(dòng)態(tài)性能有很大的影響，且不容易控制。系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，同樣有著信息的傳輸與交換。因此系統(tǒng)需要通過反饋校正來調(diào)整系統(tǒng)的性能。當(dāng)控制系統(tǒng)的一些參數(shù)，比如說壓力等，隨著工作條件改變而發(fā)生大幅度改變時(shí)，控制系統(tǒng)能夠得到適時(shí)的反饋，從而消除參數(shù)波動(dòng)等對(duì)系統(tǒng)的影響。但是開環(huán)系統(tǒng)雖然系統(tǒng)簡(jiǎn)單，但精度不是很高。 圖4-7反饋校正框圖 4.3液壓泵以及液壓元件的選擇 為了在機(jī)械手工作過程中減少機(jī)械手爪對(duì)工件的夾放以及手臂的回轉(zhuǎn)速度變化較大時(shí)引起的系統(tǒng)能耗過大問題，采用雙聯(lián)葉片泵進(jìn)行供油。雙聯(lián)葉片泵由一個(gè)小流量泵和一個(gè)大流量泵組成。當(dāng)需要快速進(jìn)給時(shí),兩個(gè)流量泵同時(shí)供油，此時(shí)系統(tǒng)壓力比較低；當(dāng)系統(tǒng)工進(jìn)時(shí),由小流量泵供油，此時(shí)系統(tǒng)壓力較高。通過調(diào)定溢流閥的調(diào)定壓力值來控制兩泵。選用YB-6/40型雙聯(lián)葉片泵，該葉片泵的系統(tǒng)壓力為1.6~2.5MPa，電機(jī)功率為5.5kw，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。 油箱容量選為25L，并裝有濾油器。裝濾油器的主要目的是濾去較大的雜質(zhì)，使進(jìn)入液壓系統(tǒng)的油液保持一定的清潔度。因?yàn)橐簤合到y(tǒng)中的系統(tǒng)壓力為1.6~2.5MPa，故選取普通的網(wǎng)式濾油器就足夠，安裝在液壓泵的吸油口，此時(shí)吸油口應(yīng)放置于油箱液面以下。 液壓系統(tǒng)原件選定： 溢流閥：Y6-60； 單向閥：Y10B； 調(diào)速閥：Q63B； 節(jié)流閥：L-25B； 換向閥：34E-63B 。 驅(qū)動(dòng)缸的選擇計(jì)算： 驅(qū)動(dòng)缸內(nèi)徑即為回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑，缸筒內(nèi)徑計(jì)算公式： 式（4.1） 代入數(shù)據(jù)得 活塞桿直徑d=0.45D=0.4540=18mm。 按標(biāo)準(zhǔn)JB2183-77，選D=40mm，d=20mm。 按標(biāo)準(zhǔn)GB1068-67得驅(qū)動(dòng)缸外徑，行程S為650mm。 驅(qū)動(dòng)缸壁厚校核： 由于，驅(qū)動(dòng)缸壁厚按薄壁計(jì)算： 式（4.2） 代入數(shù)值得：。 顯然，，故，驅(qū)動(dòng)缸壁厚安全。 5 機(jī)械手三維建模及運(yùn)動(dòng)仿真 5.1機(jī)械手三維建模處理 工業(yè)機(jī)械手采用Pro/E三維建模軟件對(duì)本次設(shè)計(jì)零部件進(jìn)行初步建模。由設(shè)計(jì)內(nèi)容可知，此次建模構(gòu)件主要有機(jī)械手手指、機(jī)械手手腕、機(jī)械手手臂、液壓缸、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)以及其他緊固零件。 5.1.1機(jī)械手手部零件建模 機(jī)械手手部零件建模過程如下： （1） 選擇基準(zhǔn)平面，草繪繪制手指指型端面，利用拉伸工具對(duì)草繪圖形進(jìn)行拉伸； （2） 利用拉伸工具，對(duì)機(jī)械手手指端部分別進(jìn)行拉伸去除材料； （3） 利用孔工具，對(duì)手指零件繪制所有的孔； （4） 建模完畢。 圖5-1 機(jī)械手手指建模 5.1.2機(jī)械手液壓缸建模 機(jī)械手液壓缸建模過程如下： （1） 選擇基準(zhǔn)平面，草繪液壓缸草繪圖形，運(yùn)用拉伸工具，拉伸出液壓缸設(shè)計(jì)外形； （2） 利用拉伸工具，對(duì)初步拉伸出的液壓缸進(jìn)行修改，去除不必要材料； （3） 利用拉伸工具，拉伸出液壓缸安裝耳環(huán)； （4） 利用孔工具，繪制液壓缸安裝孔； （5） 根據(jù)以上步驟分別完成另外兩個(gè)液壓缸零件建模。 圖5-2 液壓缸建模 5.1.3機(jī)械手手臂建模 機(jī)械手手臂建模過程如下： （1） 選擇基準(zhǔn)平面，繪制出手臂草圖，利用拉伸工具拉伸機(jī)械手手臂輪廓； （2） 利用拉伸工具，去除多余材料； （3） 利用孔工具，繪制手臂上設(shè)計(jì)好的通孔。 圖5-3機(jī)械手手臂建模 5.1.4機(jī)械手手腕建模 機(jī)械手手腕建模過程如下： （1） 選擇基準(zhǔn)平面，繪制機(jī)械手手腕草圖，點(diǎn)擊拉伸工具； （2） 根據(jù)草圖，選擇拉伸長(zhǎng)度128mm，完成拉伸； （3） 利用孔工具，繪制出所有的孔。 圖5-4 機(jī)械手手腕建模 5.1.5機(jī)械手回轉(zhuǎn)工作臺(tái)建模 回轉(zhuǎn)工作臺(tái)建模過程如下： （1） 利用旋轉(zhuǎn)工具，繪制旋轉(zhuǎn)中心線，草繪回轉(zhuǎn)圖形； （2） 對(duì)草繪圖形繞中心線旋轉(zhuǎn)，回住處回轉(zhuǎn)工作臺(tái)； （3） 利用拉伸工具，繪制出底座安裝耳環(huán)； （4） 利用孔工具，繪制出所有設(shè)計(jì)孔。 圖5-5 機(jī)械手回轉(zhuǎn)臺(tái)建模 機(jī)械手各零件建模完成后，依次進(jìn)行零件裝配，機(jī)械手裝配效果圖如下： 圖5-6 機(jī)械手裝配效果圖 5.2機(jī)械手ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真 在未真正生產(chǎn)出真實(shí)的產(chǎn)品以前就進(jìn)行仿真模擬，提前知道產(chǎn)品的各種性能，防止各種設(shè)計(jì)缺陷的存在,提出改進(jìn)意見，優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真在機(jī)械手模型裝配完成之后，不考慮摩擦以及力的施加。只在模型中添加必要的運(yùn)動(dòng)副，對(duì)其施加動(dòng)力，使之能夠進(jìn)行動(dòng)作模擬并得到運(yùn)動(dòng)分析。 5.2.1ADAMS模型導(dǎo)入 由于Pro/E與ADAMS軟件存在接口問題，所以需要對(duì)其格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。將機(jī)械手模型轉(zhuǎn)入ADAMS中時(shí)因?yàn)閮烧叽嬖趫D形格式轉(zhuǎn)換時(shí)帶來圖形缺失的問題，需要確認(rèn)導(dǎo)入模型是否存在零件顯示缺失，確認(rèn)后返回到Pro/E中重新進(jìn)行修改完善。將Pro/E中建立好的三維模型另存為格式，導(dǎo)入ADAMS中，外觀選擇Shaded。 圖5-7 ADAMS模型導(dǎo)入及外觀選擇 圖為ADAMS導(dǎo)入零件模型： 圖5-8 ADAMS導(dǎo)入模型 5.2.2機(jī)械手約束添加 對(duì)導(dǎo)入ADAMS中的模型進(jìn)行約束添加，因?yàn)槟Ｐ秃?jiǎn)單的原因，添加的約束多為固定約束和旋轉(zhuǎn)約束以及幾個(gè)圓柱約束。 圖5-9 固定約束添加 依次添加固定約束和旋轉(zhuǎn)約束，并對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單仿真以便方便查驗(yàn)。 圖5-10 模型約束添加 5.2.3 ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真 機(jī)械模型創(chuàng)建完成后，設(shè)置模型中想要的移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)速度。設(shè)置好參數(shù)后，選擇工具箱中的Simulation按鈕，窗口中顯示出仿真按鈕及其選項(xiàng)。設(shè)置仿真時(shí)間為4s，工作步為1000。 圖5-11 仿真按鈕及選項(xiàng) 鼠標(biāo)左擊開始按鈕，ADAMS開始進(jìn)行仿真。 根據(jù)仿真模型運(yùn)動(dòng)情況，觀察是否存在錯(cuò)誤。仿真完成后，觀察有關(guān)變量的變化曲線。 圖5-12 機(jī)械手手爪標(biāo)記點(diǎn)X軸運(yùn)動(dòng)曲線 圖5-13 機(jī)械手手爪標(biāo)記點(diǎn)Y軸運(yùn)動(dòng)曲線 結(jié)論 隨著現(xiàn)代社會(huì)的迅速發(fā)展，人類追求生產(chǎn)效率的提高，工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(fā)影響著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級(jí)。工業(yè)機(jī)械手作為機(jī)器人重要的一部分，關(guān)系到機(jī)器人的設(shè)計(jì)發(fā)展。本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)工業(yè)機(jī)械手的手部、腕部、手臂以及機(jī)身底座都作了系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)計(jì)算，考慮到各種驅(qū)動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用液壓傳動(dòng)。此外，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，綜合考慮了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)實(shí)用性、強(qiáng)度、剛度等因素，并進(jìn)行了校核。 當(dāng)然，初次進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，基于經(jīng)驗(yàn)的積累及只是水平的局限，設(shè)計(jì)難免顯得稚嫩、粗糙，還望老師見諒并予以指正。 致謝 參考文獻(xiàn) [1]穆亞飛.淺談機(jī)械手在機(jī)械工業(yè)中的應(yīng)用[J].工程管理與科學(xué)技術(shù)，2011，（1）：128. 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