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哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文
哈爾濱理工大學(xué)榮成學(xué)院
?？粕厴I(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書
學(xué)生姓名：李世博 學(xué)號(hào)：1030310114
學(xué) 院： 榮成學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
任務(wù)起止時(shí)間： 2013年02月25日至 2013年06月 21日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：
沖壓機(jī)械手---手臂部分設(shè)計(jì)
畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容：
1、實(shí)際調(diào)研，收集相關(guān)資料；1—3周。
2、結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，設(shè)計(jì)機(jī)械手的手臂部分設(shè)計(jì)總圖；4—7周。
3、設(shè)計(jì)機(jī)械手伸縮缸，卡緊缸，手碗迴轉(zhuǎn)缸結(jié)構(gòu)圖8-11周。
4、設(shè)計(jì)零件的工作圖；12---13周。
5、撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；準(zhǔn)備答辯。 14---16周。
注：要求全部用計(jì)算機(jī)繪圖和打印文稿（交打印件和電子稿）
資料：
1、工業(yè)機(jī)器人設(shè)計(jì)手冊(cè)；
2、非標(biāo)設(shè)計(jì)手冊(cè)；
3、液壓與氣壓傳動(dòng)；
4、相關(guān)的技術(shù)資料。
指導(dǎo)教師意見：
簽名：
2013年 2 月 24 日
系主任意見：
簽名：
2013年2月 25日
哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）評(píng)語
學(xué)生姓名：李世博 學(xué)號(hào)：1030310114
學(xué) 院： 榮成學(xué)院 專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造
任務(wù)起止時(shí)間： 2013年02月25日至 2013年06月 21日
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：
沖壓機(jī)械手---手臂部分設(shè)計(jì)
指導(dǎo)教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語：
該課題源于生產(chǎn)實(shí)踐，該同學(xué)在畢業(yè)設(shè)計(jì)中，態(tài)度端正，能把所學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)運(yùn)用設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)基本合理正確，設(shè)計(jì)論文論述比較正確、格式較規(guī)范，尚能正確運(yùn)用所學(xué)基本知識(shí)，完成任務(wù)要求，請(qǐng)?jiān)u閱教師評(píng)閱。
指導(dǎo)教師簽名： 指導(dǎo)教師職稱：
評(píng)閱教師對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語：
該同學(xué)論文格式規(guī)范，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)有了一定了解，設(shè)計(jì)符合任務(wù)書要求，所做畫紙符合要求，但在圖紙的繪制和尺寸的標(biāo)注需要改進(jìn)，建議參加答辯。
評(píng)閱教師簽名： 評(píng)閱教師職稱：
答辯委員會(huì)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的評(píng)語：
該同學(xué)的設(shè)計(jì)符合“畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書”的要求，任務(wù)量適中，答辯表述基本清晰，能回答大多數(shù)提問，概念較清楚，設(shè)計(jì)的內(nèi)容基本合理，無原則性錯(cuò)誤，掌握了一定的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能。符合學(xué)院?？飘厴I(yè)設(shè)計(jì)的要求。
答辯委員會(huì)評(píng)定，該生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）成績?yōu)椋?
答辯委員會(huì)主席簽名： 職稱：
年 月 日
教務(wù)處制表
哈爾濱理工大學(xué)?？粕厴I(yè)論文
沖壓機(jī)械手—手臂部分設(shè)計(jì)
摘要
本文所設(shè)計(jì)的沖壓機(jī)械手用于搬運(yùn)工件，為了增加本機(jī)械手的通用性，在結(jié)構(gòu)盡可能緊湊的情況下，最大限度地使工業(yè)機(jī)械手具有較大的抓取范圍。
本文主要介紹了沖壓機(jī)械手的概念、組成和分類，機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式、運(yùn)動(dòng)及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r。對(duì)沖壓機(jī)械手進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，首先確定了機(jī)械手的坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)型，自由度數(shù)為5，接著確定了機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置為液壓缸，然后確定了機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)。同時(shí)，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)形式為滑槽杠桿式鉗爪、手腕的結(jié)構(gòu)形式為采用電機(jī)帶動(dòng)腕回轉(zhuǎn)、臂部結(jié)構(gòu)形式采用雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，機(jī)身結(jié)構(gòu)形式為升降缸置于回轉(zhuǎn)缸之上的結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算出了夾緊工件所需的驅(qū)動(dòng)力、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩、手臂伸縮所需的驅(qū)動(dòng)力、手臂俯仰所需的驅(qū)動(dòng)力、手臂升降所需的驅(qū)動(dòng)力和手臂回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力矩。繼而設(shè)計(jì)了沖壓機(jī)械手的各個(gè)部分液壓缸的尺寸和結(jié)構(gòu)及各個(gè)部分之間連接與支承部件的結(jié)構(gòu)與尺寸。
關(guān)鍵詞 液壓驅(qū)動(dòng)；沖壓機(jī)械手；液壓缸
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II
目錄
摘要…… I
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)械手的含義 1
1.2 機(jī)械手的產(chǎn)生、應(yīng)用與發(fā)展 1
1.2.1 機(jī)械手的產(chǎn)生（簡史） 1
1.2.2 應(yīng)用簡況 2
1.2.3 發(fā)展趨勢(shì) 2
1.3 沖壓機(jī)械手的組成與運(yùn)動(dòng) 3
1.3.1 沖壓機(jī)械手的組成 3
1.3.2 沖壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng) 5
第2章 沖壓機(jī)械手的手部設(shè)計(jì) 10
2.1 概述 10
2.2 手部機(jī)構(gòu)形式 10
2.2.1 手爪 10
2.2.2 傳動(dòng)裝置 10
2.2.3 驅(qū)動(dòng)裝置 10
2.3 前爪式手部機(jī)構(gòu)的選用要點(diǎn) 11
2.4 滑槽杠桿式鉗爪的夾緊力分析與計(jì)算 11
2.5 滑槽杠桿式鉗爪手部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 13
2.6 手部夾緊液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 13
2.7 本章小結(jié) 14
第3章 沖壓機(jī)械手的腕部設(shè)計(jì) 15
3.1 概述 15
3.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 15
3.2.1 摩擦阻力矩 15
3.2.2 工件重心偏置引起的偏置力矩 15
3.2.3 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩 16
3.3 本章小結(jié) 17
第4章 工業(yè)機(jī)械手臂部的設(shè)計(jì) 18
4.1 概述 18
4.2 沖壓機(jī)械手臂部的結(jié)構(gòu)形式 18
4.2.1 沖壓機(jī)械手臂部伸縮運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu) 19
4.2.2 沖壓機(jī)械手臂部俯仰運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu) 19
4.2.3 沖壓機(jī)械手臂部回轉(zhuǎn)及升降的結(jié)構(gòu) 20
4.2.4 導(dǎo)向裝置 20
4.3 沖壓機(jī)械手臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 21
4.3.1 手臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的計(jì)算 21
4.3.2 手臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
4.4 沖壓機(jī)械手的液壓緩沖裝置 23
4.5 本章小結(jié) 24
結(jié)論 25
致謝 26
參考文獻(xiàn) 27
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II
第1章 緒論
1.1 機(jī)械手的含義
“機(jī)械手”（mechanical hand，也被稱為“自動(dòng)手”(auto hand), 多數(shù)是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動(dòng)抓取、操作裝置（國內(nèi)一般稱作機(jī)械手或者專用機(jī)械手）。它能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具。它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。它特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中代替人作業(yè)，因此獲得日益廣泛的應(yīng)用。
1.2 機(jī)械手的產(chǎn)生、應(yīng)用與發(fā)展
1.2.1 機(jī)械手的產(chǎn)生（簡史）
早在20世紀(jì)初，隨著機(jī)床、汽車等制造業(yè)的發(fā)展就出現(xiàn)了機(jī)械手。1913年美國福特汽車工業(yè)公司安裝了第一條零件加工自動(dòng)線，為了解決自動(dòng)線、自動(dòng)機(jī)的上下料與工件的傳送，采用了專用機(jī)械手代替人工上下料與傳送工件?？梢妼Ｓ脵C(jī)械手就是作為自動(dòng)機(jī)、自動(dòng)線的附屬裝置出現(xiàn)的。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進(jìn)口。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)兩種機(jī)械手后大力從事機(jī)械手的研究。
我國雖然開始研究工業(yè)機(jī)械手僅比日本晚5～6年，但由于種種原因，工業(yè)機(jī)械手計(jì)時(shí)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計(jì)劃地從國外引進(jìn)工業(yè)機(jī)器人（工業(yè)機(jī)械手）技術(shù)，通過引進(jìn)、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機(jī)械手技術(shù)必將獲得迅速發(fā)展。
目前，工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進(jìn)行控制；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算控制系統(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，是機(jī)械手具有感覺機(jī)能。
第三代機(jī)械手則能獨(dú)立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性制造單元（FMC）中的重要一環(huán)。
1.2.2 應(yīng)用簡況
機(jī)械手的應(yīng)用意義可以概括如下：
應(yīng)用機(jī)械手有利于實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化的程度，從而可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場(chǎng)合中，用人手直接操作是有危險(xiǎn)或根本不可能的，而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
有資料統(tǒng)計(jì)：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機(jī)械加工。隨著機(jī)械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對(duì)象還會(huì)有所改變。
機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動(dòng)條件。
國內(nèi)機(jī)械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專機(jī)上采用機(jī)械手上下料，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機(jī)床共同組成一個(gè)綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。
采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更始目前研究的重點(diǎn)，國外已研究采用攝像機(jī)和力傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)連在一起，能確定零件的方位達(dá)到鑲裝的目的。
1.2.3 發(fā)展趨勢(shì)
目前機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。
在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件，擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。
此外，國外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。
視覺功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。
觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。
更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
1.3 沖壓機(jī)械手的組成與運(yùn)動(dòng)
1.3.1 沖壓機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成關(guān)系如圖1-1：
圖1-1 沖壓機(jī)械手的組成
1.執(zhí)行系統(tǒng)
執(zhí)行系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)械手完成握取工件（或者工具）實(shí)現(xiàn)所需的各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件，包括以下幾個(gè)部分：
（1）手部：是工業(yè)機(jī)械手直接與工件（或者工具）的部件。有些工業(yè)機(jī)械手直接將工具（如焊槍、噴槍、容器）裝在手部位置，而不再設(shè)置手部。
（2）腕部：是工業(yè)機(jī)械手中聯(lián)接手部與臂部、主要用來確定手部工作位置并擴(kuò)大臂部動(dòng)作范圍的部件。有些專用機(jī)械手沒有手腕部件，而是直接將手部安裝在臂部的端部。
（3）臂部：是工業(yè)機(jī)械手用來支承腕部和手部實(shí)現(xiàn)較大運(yùn)動(dòng)范圍的部件。
（4）機(jī)身：是工業(yè)機(jī)械手用來支承手臂部件，并安裝驅(qū)動(dòng)裝置及其他裝置的部件。專用機(jī)械手一般將臂部裝在主機(jī)上，成為主機(jī)的附屬裝置。
2.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力的裝置。采用的動(dòng)力源不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式也不同。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)方式有四種:液壓式、氣壓式、電氣式和機(jī)械式。
（1）液壓式：液壓驅(qū)動(dòng)主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。它利用油缸、馬達(dá)加上齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用擺動(dòng)油缸、馬達(dá)與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小、出力大、運(yùn)動(dòng)平緩，可無級(jí)變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點(diǎn)是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
（2）氣壓式：氣壓驅(qū)動(dòng)所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達(dá)、氣閥等。一般采用4-6個(gè)大氣壓，個(gè)別的達(dá)到8-10個(gè)大氣壓。它的優(yōu)點(diǎn)是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點(diǎn)是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實(shí)現(xiàn)中間位置的停止，速度不易控制、響應(yīng)慢、動(dòng)作不平穩(wěn)、有沖擊，只能用于點(diǎn)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(jī)時(shí)產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)裝有速度控制機(jī)構(gòu)或緩沖機(jī)構(gòu)。
（3）電氣式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，用大減速比減速器來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；直線運(yùn)動(dòng)則用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)；有的采用直線電動(dòng)機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是電源方便，信號(hào)傳遞運(yùn)算容易、響應(yīng)快、驅(qū)動(dòng)力較大，適用于中小型工業(yè)機(jī)械手。但是必須要使用減速機(jī)構(gòu)（如齒輪減速器、諧波齒輪減速器等），所需要的電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、DC伺服電機(jī)和AC伺服電機(jī)等。
（4）機(jī)械式：其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由電機(jī)、齒輪、齒輪齒條、連桿等機(jī)械裝置組成，傳動(dòng)可靠，適用于專一簡單的機(jī)械手。這種方式結(jié)構(gòu)比較龐大。
本設(shè)計(jì)的手部夾緊、手臂伸縮、手臂升降、手臂俯仰、手臂回轉(zhuǎn)均采用液壓式，腕部回轉(zhuǎn)考慮到回轉(zhuǎn)精度的原因，采用電氣式。
3.控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，并檢測(cè)其正確與否。一般常見的為電氣與電子回路控制，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也不斷增多。就其控制方式，可分為分散控制與集中控制兩種類型。若以控制的運(yùn)動(dòng)軌跡來分，原則上分為兩種：
（1）點(diǎn)位控制：主要控制空間兩點(diǎn)或者有限多個(gè)點(diǎn)的空間位置，而對(duì)其運(yùn)動(dòng)路徑?jīng)]有要求。專用機(jī)械手絕大多數(shù)均采用這種點(diǎn)位控制方式。
（2）連續(xù)軌跡控制：是用連續(xù)的信息對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的任意位置進(jìn)行控制，其運(yùn)動(dòng)軌跡是連續(xù)的。對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡有要求的工業(yè)機(jī)械手需要連續(xù)軌跡控制，如電弧焊、切割等。
1.3.2 沖壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)
沖壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，擬分為沖壓機(jī)械手的自由度、運(yùn)動(dòng)范圍和各種運(yùn)動(dòng)形式來敘述。
1.沖壓機(jī)械手的自由度
沖壓機(jī)械手的手部所握持的工件（或工具）在空間的位置，是由臂部、腕部以及整機(jī)等各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的合成來確定。確定手部中心位置與手部方位的獨(dú)立變化參數(shù)，就是工業(yè)機(jī)械手的自由度（有時(shí)被稱為運(yùn)動(dòng)軸、運(yùn)動(dòng)度等）。它是沖壓機(jī)械手的重要參數(shù)之一。
沖壓機(jī)械手的每一個(gè)自由度，都要相應(yīng)地配一個(gè)原動(dòng)件（如伺服馬達(dá)、油缸、氣缸、步進(jìn)馬達(dá)等驅(qū)動(dòng)裝置），當(dāng)各原動(dòng)件按一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)件就隨之確定的運(yùn)動(dòng)，自由度數(shù)與原動(dòng)件數(shù)必須相等，只有這樣才能使工業(yè)機(jī)械手具有確定的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于機(jī)械手來說，如果自由度越多，就能更接近人手的多種機(jī)能，通用性就更好，但自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，從而不容易滿足對(duì)整體結(jié)構(gòu)在重量輕、體積小和高效率等方面的要求。這是沖壓機(jī)械手設(shè)計(jì)中的矛盾。目前一般沖壓機(jī)械手的自由度（除手部夾緊動(dòng)作外）大多不超過五個(gè)。沖壓機(jī)械手常見的各種自由度包括：臂伸縮、臂回轉(zhuǎn)、臂俯仰、臂升降、腕部回轉(zhuǎn)、腕部俯仰、腕部直移、腕部擺動(dòng)等。如圖1-2所示：
圖1-2 沖壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)示意圖
2.沖壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍
沖壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍，是指機(jī)械手在平面或空間的運(yùn)動(dòng)軌跡圖形的形狀及其大小，是機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)之一。機(jī)械手所具有的自由度數(shù)目及其組合不同，其運(yùn)動(dòng)軌跡圖形也不同。而每個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)變化量（即直線運(yùn)動(dòng)的距離和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的回轉(zhuǎn)角度）的大小都決定著運(yùn)動(dòng)軌跡圖形的大小。一般情況下，臂部的自由度主要是用來確定手部以及工件（或工具）在空間的運(yùn)動(dòng)范圍和位置的。因此，臂部運(yùn)動(dòng)也稱為機(jī)械手的主運(yùn)動(dòng)，而腕部的自由度則主要用來調(diào)整手部以及工件（或工具）在空間的方位。
表1-1所列為臂部幾種自由度的不同組合及其運(yùn)動(dòng)范圍的圖形。臂部具有一個(gè)自由度時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡為宜直線或圓?。痪哂袃蓚€(gè)自由度時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡為一平面或圓柱面；具有三個(gè)自由度時(shí)，其運(yùn)動(dòng)軌跡則從面擴(kuò)大到空間成為立方體或回轉(zhuǎn)體（包括圓柱體和球體等）
表1-2為臂部運(yùn)動(dòng)組合的一般狀況。
表1-1 臂部自由度的組合及其運(yùn)動(dòng)范圍
組合運(yùn)動(dòng)
自由度數(shù)
直線運(yùn)動(dòng)
（T）
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
（R）
直線運(yùn)動(dòng)與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（T+R）
1
一直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成一個(gè)直線軌跡
一回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成一圓弧軌跡
2
二直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成一個(gè)矩形平面
二回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成一個(gè)球面軌跡
一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)與一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合：①當(dāng)直線運(yùn)動(dòng)方向與回轉(zhuǎn)中心線垂直時(shí)構(gòu)成扇面形②當(dāng)直線運(yùn)動(dòng)方向與回轉(zhuǎn)中心線想平行時(shí)構(gòu)成一個(gè)圓柱面
3
三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成一個(gè)立方體
①二直線運(yùn)動(dòng)，一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)構(gòu)成圓柱體②二個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成球體
表1-2 臂部運(yùn)動(dòng)組合的一般狀況
3T
4%
4%
2T
3%
60%
3%
1T
2%
20%
0T
3%
0R
1R
2R
3R
3.工業(yè)機(jī)械手的各種運(yùn)動(dòng)形式
如前所示，由于臂部自由度的不同組合，其運(yùn)動(dòng)范圍的圖形也不同，可以將其歸納為以下五種形式：
（1）圓柱坐標(biāo)型。這種運(yùn)動(dòng)形式的機(jī)械手的臂部都具有回轉(zhuǎn)、伸縮與升降三個(gè)自由度，其與電腦范圍的圖形為一個(gè)圓柱體。它具有占地面積小而活動(dòng)范圍大，結(jié)構(gòu)較簡單，緊湊，并能達(dá)到較高的定位精度，應(yīng)用廣泛，運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)。
（2）極坐標(biāo)型。該運(yùn)動(dòng)形式工業(yè)機(jī)械手的臂部有一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)與兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成，即有一個(gè)伸縮，一個(gè)俯仰與一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成。其運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為一個(gè)球體。它具有動(dòng)作靈活、占地面積小而工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)范圍大燈特點(diǎn)。但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、定位精度較低、運(yùn)動(dòng)直觀性差。
（3）直角坐標(biāo)型。直角坐標(biāo)型的工業(yè)機(jī)械手的臂部由三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)組成，即由沿x,y,z軸三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成。運(yùn)動(dòng)范圍的圖形為立方體。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高、運(yùn)動(dòng)直觀性強(qiáng)，但占地面積打而工作范圍小，慣性大靈活性差。
（4）多關(guān)節(jié)型。這種運(yùn)動(dòng)形式的工業(yè)機(jī)械手的臂部類似人的手臂可作幾個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，它由立柱和大、小兩臂組成，大小兩臂之間的聯(lián)接為肘關(guān)節(jié)，大臂與立柱之間的聯(lián)接為肩關(guān)節(jié)，客使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、小臂俯仰和大臂活動(dòng)。其特點(diǎn)是工作范圍大、動(dòng)作靈活、通用性強(qiáng)、能抓取靠近機(jī)座的物體，但是，其運(yùn)動(dòng)直觀性差，手部中心位置是由多個(gè)回轉(zhuǎn)角確定的， 要達(dá)到較高的定位精度很困難。
（5）SCARA型。這種形式的機(jī)械手實(shí)為水平多關(guān)節(jié)型機(jī)械手，多用于裝配，故也被稱為裝配機(jī)械手。動(dòng)作靈活、速度快、定位精度高。表1-3列出了各種運(yùn)動(dòng)形式的特點(diǎn)對(duì)比。
表1-3 各種運(yùn)動(dòng)形式特點(diǎn)對(duì)比
形式
運(yùn)動(dòng)組合
工作范圍
所占空間
運(yùn)動(dòng)慣性
國外應(yīng)用狀況
國內(nèi)應(yīng)用狀況
直觀性
其它
圓柱坐標(biāo)型
2T
1R
較大
較小
較大
最多
多
較強(qiáng)
極坐標(biāo)型
1T
2R
大
較小
較小
多
較少
差
能抓取地面物品
直角坐標(biāo)型
3T
小
大
較大
少
較多
強(qiáng)
多關(guān)節(jié)型
最大
較小
較小
較多
最少
最差
能繞過障礙選取途徑
SCARA型
大
小
較小
多
少
較差
用于裝配
綜上所述，最后基本確定本設(shè)計(jì)沖壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式為圓柱坐標(biāo)型，自由度數(shù)為5，包括腕部回轉(zhuǎn)、臂伸縮、臂升降、臂回轉(zhuǎn)、臂俯仰。其中，臂俯仰機(jī)構(gòu)采用在伸縮臂的后方加裝一直線油缸，起平衡作用，減少工件帶來的偏移，而且使臂部可以俯仰，從而增大整個(gè)沖壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍。
1.4 本章小結(jié)
本章通過對(duì)機(jī)械手的發(fā)展歷程的介紹，闡述了機(jī)械手在國內(nèi)國外的應(yīng)用前景及應(yīng)用的廣泛性，能夠替代人工完成復(fù)雜和危險(xiǎn)的工作。同時(shí)根據(jù)液壓機(jī)械設(shè)計(jì)，進(jìn)一步確定了沖壓機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式及其基本數(shù)據(jù)的確定。
第2章 沖壓機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)
2.1 概述
手部機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手最重要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它是沖壓機(jī)械手直接與工件、工具等接觸的部件，能執(zhí)行人手的部分功能。由于被握持工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)的不同，其手部機(jī)構(gòu)是多種多樣的。大部分的手部機(jī)構(gòu)都是根據(jù)特定的工件要求而專門設(shè)計(jì)的。
2.2 手部機(jī)構(gòu)形式
各種手部的工作原理不同，故其結(jié)構(gòu)形態(tài)各異。鉗爪式手部機(jī)構(gòu)是最常見的形式之一，按其抓取工件的方式有兩種：外卡式和內(nèi)撐式。從其機(jī)械結(jié)構(gòu)特征、外觀與功用來看，有多種形式，且叫法不一，常用的手部機(jī)構(gòu)有如下幾種：
1.拔桿連桿式鉗爪
2.平行連桿式鉗爪
3.齒輪齒條移動(dòng)式鉗爪
4.重力式鉗爪
5.自鎖式鉗爪
6.自動(dòng)定心鉗爪
7.抓取不同直徑工件的鉗爪
8.復(fù)雜形狀工件用的自動(dòng)調(diào)整是鉗爪
一般鉗爪式手部機(jī)構(gòu)由以下幾部分組成：
2.2.1 手爪
它是直接與工件接觸的構(gòu)件。手部松開和夾緊工件，就是通過手指的張開與閉合來實(shí)現(xiàn)的。一般情況下，機(jī)械手的手部只有兩個(gè)手指，少數(shù)是三個(gè)或多指。
2.2.2 傳動(dòng)裝置
它是向手指?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力、以實(shí)現(xiàn)夾緊和張開的機(jī)構(gòu)。
2.2.3 驅(qū)動(dòng)裝置
它是向傳遞機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力的裝置。安驅(qū)動(dòng)方式不同，可有液壓、氣壓、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。
此外，還有連接和支承元件，將上述有關(guān)部分連成一個(gè)整體。
2.3 前爪式手部機(jī)構(gòu)的選用要點(diǎn)
工業(yè)機(jī)械手的手部機(jī)構(gòu)靠鉗爪夾緊工件后便把工件從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，由于工件本身的重量以及移動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)等，鉗爪必須具有足夠大的夾緊力，以保證工件在移動(dòng)過程中不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。
兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的張開角。手指的張開角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開，而且夾持工件的中心位置變化要?。炊ㄎ徽`差小），若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求，對(duì)于移動(dòng)式鉗爪要有足夠大的移動(dòng)范圍。
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的鉗爪形狀來定位。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動(dòng)定心。
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形。
1.適應(yīng)工件的形狀：工件的形狀為圓柱形，則采用帶“V”型鉗口的手爪，工件形狀為圓球形則選用二指或三指鉗爪，對(duì)于特殊形狀的工件應(yīng)設(shè)計(jì)與工件向適應(yīng)的鉗爪。
2.適應(yīng)工件被抓取部位的尺寸：工件被抓取部位的尺寸盡可能是不變的，若加工尺寸略有變化，那么鉗爪應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求，工件表面要求高的，對(duì)鉗爪應(yīng)采取相應(yīng)的措施，如加軟墊等。
3.適應(yīng)工作位置的狀況：如工作位置窄小時(shí)可用薄片型鉗爪
鉗爪一般專用性較強(qiáng)，在可能的情況下，應(yīng)考慮到產(chǎn)品零件的更換。為適應(yīng)不同形狀和尺寸的要求，可將鉗爪制成組合式結(jié)構(gòu)，也可在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)選取其結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)以擴(kuò)大其適應(yīng)范圍。
綜上所述，選用滑槽杠桿式鉗爪。
2.4 滑槽杠桿式鉗爪的夾緊力分析與計(jì)算
如圖2-1所示，拉桿2端部安裝著圓柱銷3，當(dāng)拉桿2向上拉時(shí)，圓柱銷就在兩個(gè)鉗爪4的滑槽中移動(dòng)，帶動(dòng)鉗爪4繞O1與O2兩回轉(zhuǎn)指點(diǎn)回轉(zhuǎn)夾緊工件。當(dāng)拉桿2向下推時(shí)，使鉗爪4松開工件。設(shè)P為作用在拉桿2上的驅(qū)動(dòng)力，為兩鉗爪的滑槽對(duì)圓柱銷的作用力， N為鉗爪的夾緊力，鉗爪的尺寸關(guān)系如圖2-1所示。
圖2-1 滑槽杠桿式鉗爪
1—手架；2—拉桿；3—圓柱銷；4—鉗爪
根據(jù)圓柱銷的平衡條件可知
cos，則
按照鉗爪的平衡條件 得
，
（式2.1）
式中 a——鉗爪回轉(zhuǎn)支點(diǎn)（或）到對(duì)稱中心線的距離；
b——鉗爪回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到鉗口中心線的距離
從式（2.1）可知，在驅(qū)動(dòng)力P一定的情況下，增大，則夾緊力N也隨之增大，但過大會(huì)導(dǎo)致拉桿（即活塞桿）的行程過大，以及鉗爪滑槽部分尺寸長度增大，使手部結(jié)構(gòu)加大，所以一般取=30°～40°為宜。本設(shè)計(jì)選取30°。
因?yàn)殂Q爪會(huì)在各個(gè)方向都抓取工件，所以，在計(jì)算當(dāng)量夾緊力時(shí)，以最大夾緊力來計(jì)算：
查表得，鋼與鋼的靜摩擦力系數(shù)f=0.1
N=5G=5*30*10=1500（N）
2.5 滑槽杠桿式鉗爪手部機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
如圖2.1所示，a=225mm，b=150mm，=30°
又求得N=1500(N)
P=1500(N)
即(N) （2.2）
式中 ——手部機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率（0.85～0.9）
——安全系數(shù)（1.5～2.0）
——工作情況系數(shù)，主要應(yīng)考慮慣性力的影響。，a為被抓取工件的最大加速度，本設(shè)計(jì)取1m/。
最后求得，=2911（N）
2.6 手部夾緊液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
由式（2.2）得，=2911（N）
根據(jù)選取液壓缸的工作壓力，小于5000N，所以液壓缸的工作壓力P=1MPa
缸筒內(nèi)徑：D=3.57*=61mm
根據(jù)表2.2取D=63mm
缸筒壁厚：一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
式中: - 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa
選取材料為:45鋼,[]=120MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
=0.3mm
考慮到缸筒外徑上要安裝深溝球滾子軸承，且缸蓋與缸筒采用外螺紋連接，初步選取=6mm。則缸筒外徑為
缸筒外徑上攻標(biāo)準(zhǔn)螺紋，=（1-0.85）*75/2=5.625mm<6mm，符合要求.所以，壁厚取6mm。
活塞桿直徑：d=D（為速比，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取1.46）
= 0.063mm=11mm
根據(jù)表2.2標(biāo)準(zhǔn)取16mm
活塞桿強(qiáng)度校核：=mm，滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。
導(dǎo)向長度：H≥L/20+D/2=36.5mm（L為液壓缸行程，根據(jù)表2.2選標(biāo)準(zhǔn)值100mm）
導(dǎo)向套長度：A=(0.6～1.6)D≈50mm
活塞長度：B=(0.6～1.0)D≈50mm
考慮到此液壓缸行程較短，所以不用外加導(dǎo)向裝置。
2.7 本章小結(jié)
本章主要介紹了沖壓機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟和主要的設(shè)計(jì)過程。手部結(jié)構(gòu)在整個(gè)機(jī)械手的應(yīng)用過程中起著直接的作用，其與沖壓工件進(jìn)行直接接觸，所以其強(qiáng)度的設(shè)計(jì)和外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過理論計(jì)算和參考資料合理設(shè)計(jì)其外形結(jié)構(gòu)，以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。
第3章 沖壓機(jī)械手的腕部設(shè)計(jì)
3.1 概述
工業(yè)機(jī)械手的腕部是連接手部和手臂的部件，起支承手部的作用，并調(diào)整或改變工件的空間方位。腕部實(shí)際所具有的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的工作性能要求來確定。在大多數(shù)情況下，腕部具有兩個(gè)自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或擺動(dòng)。
設(shè)計(jì)腕部時(shí)要注意下列幾點(diǎn)：（1）結(jié)構(gòu)盡量緊湊、重量盡量輕。對(duì)于自由度數(shù)較多以及驅(qū)動(dòng)力要求較大的腕部，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)矛盾較為突出，因?yàn)閷?duì)于腕部每一個(gè)自由度就要相應(yīng)的配一個(gè)驅(qū)動(dòng)件和執(zhí)行件，要使腕部在較小的空間同時(shí)容納幾套元件，困難較大。（2）轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性要好。（3）要適應(yīng)工作環(huán)境的需要，對(duì)于高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作的工業(yè)機(jī)械手，其腕部與手部經(jīng)常在高溫區(qū)域或者腐蝕介質(zhì)中停留與操作，直接受到影響，故一定要采取相應(yīng)的措施。
3.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算
手腕回轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性阻力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承處的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏置力矩。計(jì)算方法如下：
3.2.1 摩擦阻力矩
=(N.m)
式中 ——摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承;
,——軸承的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，
—— 軸承直徑 （m）
=0.02/2（2730*0.075*2380*0.02）
=2.52（N.m）
3.2.2 工件重心偏置引起的偏置力矩
=Ge（N.m）
式中，G——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時(shí)，為0。本設(shè)計(jì)中工件外形比較規(guī)則，且工件尺寸不大，所以，可以考慮為工件中心一直與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合，即為0。
3.2.3 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩
當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時(shí)，可用下式計(jì)算：
=（+）（N.m）
式中 ——參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
——工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
-——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s)；
——起動(dòng)過程所需的時(shí)間(s);
當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)過的角度時(shí)，可用下式計(jì)算：
=（+）（N.M）
式中 -——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度(弧度/s)；
——啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)過的角度（rad）；
手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：
M=++（N.M）
本設(shè)計(jì)中腕部啟動(dòng)時(shí)間設(shè)計(jì)為0.1s
考慮到摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取
M=1.1（++）（N.M）
=1.1*（91.58+2.52+0）
=103.5（N.M）
考慮到步進(jìn)電機(jī)的扭矩可能不夠，而且為了減小軸向尺寸，因此使步進(jìn)電機(jī)與液壓缸平行安裝，中間通過一對(duì)減速齒輪來增大扭矩。
3.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了沖壓機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，腕部的功能是通過與手部的連接，直接控制手部的旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動(dòng)。其在使用的過程中同樣承受力矩的作用，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中同樣應(yīng)注重理論計(jì)算。腕部的剛度和強(qiáng)度是設(shè)計(jì)沖壓機(jī)械手的主要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，本章通過理論計(jì)算的方式校核了腕部尺寸及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。
圖3-1 回轉(zhuǎn)缸
第4章 工業(yè)機(jī)械手臂部的設(shè)計(jì)
4.1 概述
臂部是沖壓機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并改變手部在空間的位置。工業(yè)機(jī)械手的臂部一般具有2、3個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰和升降。臂部總重量較大，受力一般較為復(fù)雜，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，直接承受腕部、手部和工件（或工具）的動(dòng)、靜載荷，尤其高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生較大的慣性力（或慣性矩），引起沖擊，影響定位的準(zhǔn)確性。臂部運(yùn)動(dòng)部分零部件的重量直接影響著臂部結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。專用機(jī)械手的臂部一般直接安裝在主機(jī)上，工業(yè)機(jī)械手的臂部一般與控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起安裝在機(jī)身上，機(jī)身可以是固定式的，也可以帶有行走機(jī)構(gòu)，可沿地面或?qū)к夁\(yùn)動(dòng)。
臂部的結(jié)構(gòu)形式必須根據(jù)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)形式、抓取重量、動(dòng)作自由度、運(yùn)動(dòng)精度等因素來確定。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到手臂的受力情況、油氣缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)臂部機(jī)構(gòu)時(shí)一般要注意下述要求：
（1）剛度要大：為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀要合理。工字形截面的彎曲強(qiáng)度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比是新軸大。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。
（2）導(dǎo)向性要好：為防止手臂在直移運(yùn)動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。
(3) 偏重力矩要?。核^偏重力矩就是指臂部的重量對(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減小偏重力矩和整個(gè)臂部對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
（4）運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)，定位精度要高：由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高，重量越大，慣性力引起的定位錢的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)既不平穩(wěn)，定位精度也不會(huì)高。故應(yīng)盡量減小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定形式的緩沖措施。
4.2 沖壓機(jī)械手臂部的結(jié)構(gòu)形式
沖壓機(jī)械手的臂部結(jié)構(gòu)一般包括臂部伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰、升降等運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)以及與其有關(guān)的構(gòu)件，如傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向定位裝置、支承連接件和位置檢測(cè)元件等。此外還有與腕部連接的有關(guān)構(gòu)件及配管、線等。
4.2.1 沖壓機(jī)械手臂部伸縮運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)
伸縮運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種形式：
1.采用倍增機(jī)構(gòu)的臂伸縮結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是傳遞效率高，易于實(shí)現(xiàn)較大的行程和速度。
2.采用單導(dǎo)向桿的臂伸縮結(jié)構(gòu)：這種結(jié)構(gòu)由于活塞桿、導(dǎo)向桿和檢測(cè)棒全部藏在缸體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊、外觀整潔，但增加了缸體厚度，將大幅度增加臂部結(jié)構(gòu)的重量，一般用于小型機(jī)械手。
（1）采用大直徑導(dǎo)向管的臂伸縮結(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)一根大直徑導(dǎo)向管作伸縮臂。
（2）采用燕尾型導(dǎo)軌的臂伸縮結(jié)構(gòu)：采用這種導(dǎo)軌導(dǎo)向，剛度大、工作平穩(wěn)。
（3）采用雙導(dǎo)向桿的臂伸縮結(jié)構(gòu)：其特點(diǎn)是手里均衡，可用于抓重大、行程較長的場(chǎng)合
（4）采用四根導(dǎo)向柱的臂伸縮結(jié)構(gòu)：其特點(diǎn)是行程長、抓重較大。工件形狀不規(guī)則時(shí)，為了防止產(chǎn)生較大的偏重力矩，采用四根導(dǎo)向柱。
本設(shè)計(jì)的手部伸縮運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)采用形式⑤，即雙導(dǎo)向桿結(jié)構(gòu)。如圖4-1
圖4-1 手部伸縮缸
4.2.2 沖壓機(jī)械手臂部俯仰運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)
沖壓機(jī)械手的臂部俯仰運(yùn)動(dòng)，一般采用鉸接油氣缸來實(shí)現(xiàn)。鉸接油氣缸位于油缸下方，活塞桿與手臂之間用鉸鏈連接，缸體與立柱之間用耳插銷軸等方式連接。如圖4-2所示，臂部的俯仰由鉸接臂部的活塞桿的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。
4.2.3 沖壓機(jī)械手臂部回轉(zhuǎn)及升降的結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，如圖4-3所示。這種齒條缸比一般回轉(zhuǎn)缸有較大的輸出扭矩和較大的回轉(zhuǎn)角（可大于360°），但結(jié)構(gòu)尺寸一般比較大，所以安裝在升降缸的下部固定在底座上?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由齒條活塞桿驅(qū)動(dòng)齒輪帶動(dòng)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，輸出軸和升降缸缸體連接，帶動(dòng)缸體轉(zhuǎn)動(dòng)，再帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)。升降運(yùn)動(dòng)由升降缸活塞桿帶動(dòng)手臂升降。
圖4-3 手臂
4.2.4 導(dǎo)向裝置
沖壓機(jī)械手的手臂伸縮及升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)有導(dǎo)向裝置，其目的是：
1.防止移動(dòng)件在伸縮及升降時(shí)產(chǎn)生不必要的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手臂運(yùn)動(dòng)方位的準(zhǔn)確性。沖壓機(jī)械手的手臂伸縮及升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上設(shè)有導(dǎo)向裝置，其目的是：
2.防止移動(dòng)件在伸縮及升降時(shí)產(chǎn)生不必要的轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手臂運(yùn)動(dòng)方位的準(zhǔn)確性。
3.增大移動(dòng) 部件的剛性，減少移動(dòng)部件由于自重與抓取重量變化所引起的變形與位移。
承受移動(dòng)部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。增大移動(dòng) 部件的剛性，減少移動(dòng)部件由于自重與抓取重量變化所引起的變形與位移。
承受移動(dòng)部件的部分自重和抓取工件（或工具）的部分重量。
4.3 沖壓機(jī)械手臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力（包括力矩）時(shí)，把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時(shí)，臂部所受的負(fù)荷主要是慣性力、摩擦力和重力等。
4.3.1 手臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的計(jì)算
1.手臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：
手臂作水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦力等，還要克服啟動(dòng)過程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算：
=+（N） （式4-1）
式中 ——各支承處的摩擦阻力
——啟動(dòng)過程中慣性力，其大小按下式估算：
=（N） （式4-2）
式中 W——手臂伸縮部件的總重量（N）
g——重力加速度（10）
a——啟動(dòng)過程中平均加速度（）
而 a=（）
——速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度，則這個(gè)過程中速度變化量就等于手臂的工作速度。
——啟動(dòng)過程所用時(shí)間。一般為0.01～0.5（s）。本設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)啟動(dòng)時(shí)間為0.1s，工作速度為500mm/s，導(dǎo)向套摩擦系數(shù)為0.1。粗略計(jì)算運(yùn)動(dòng)部件重量為80Kg。
最后計(jì)算得：=0.1*80+800/10*（0.5/0.1）（N）
=480（N）
2.手臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算：
本設(shè)計(jì)中，此液壓缸安全系數(shù)取1.2。
由式（4.1）得，=480 （N）
P=480*1.2=576 (N)
根據(jù)表2.1和表2.2選取液壓缸的工作壓力，小于5000N，所以液壓缸的工作壓力P=1MPa
缸筒內(nèi)徑：D=3.57*=24.63mm
根據(jù)表2.2取D=40mm
缸筒壁厚：一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
式中: - 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, (Pa)
選取材料為:45鋼,[]=120MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
=0.25mm
考慮缸蓋與缸筒采用外螺紋連接，初步選取=5mm。則缸筒外徑為
缸筒外徑上攻標(biāo)準(zhǔn)螺紋，=（1-0.85）*50/2=3.75mm<5mm，符合要求.所以，壁厚取5mm。
活塞桿直徑：d=(1/5～1/3)D≈13mm
根據(jù)表2.2標(biāo)準(zhǔn)取14mm
活塞桿強(qiáng)度校核：=mm，滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。
導(dǎo)向長度：H≥L/20+D/2=45mm（L為液壓缸行程，根據(jù)表2.2選標(biāo)準(zhǔn)值500mm）
導(dǎo)向套長度：A=(0.6～1.6)D≈50mm
活塞長度：B=(0.6～1.0)D≈40mm
4.3.2 手臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
1.手臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算：
手臂作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦力和慣性力之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算
=+±W（N） （式4-3）
式中 ——各支承處的摩擦阻力
——啟動(dòng)過程中慣性力，按式（4-2）計(jì)算；
W——手臂運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）；
±——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。
粗略計(jì)算得運(yùn)動(dòng)部件的重量為135 Kg，升降速度250mm/s，啟動(dòng)時(shí)間0.2s。計(jì)算得：
=1350/10+1350/10*（0.25/0.2）+1350=1653（N）
2.手臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
在本設(shè)計(jì)中，此液壓缸的安全系數(shù)為1.1
由（式4.3）得P=1653*1.1=1818 (N)
根據(jù)表2.1和表2.2選取液壓缸的工作壓力，小于5000N，所以液壓缸的工作壓力P=1MPa
缸筒內(nèi)徑： D=3.57*=48.23mm
根據(jù)表2.2取D=50mm
缸筒壁厚：一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計(jì)算:
式中: - 缸筒壁厚，mm
- 氣缸內(nèi)徑，mm
- 實(shí)驗(yàn)壓力，取, Pa
選取材料為:45鋼,[]=120MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
=0.6mm
考慮到缸蓋與缸筒采用外螺紋連接，初步選取=5mm。
缸筒外徑上攻標(biāo)準(zhǔn)螺紋，=（1-0.85）*60/2=4.5mm<5mm，符合要求.所以，壁厚取5mm。
活塞桿直徑：d=(1/5～1/3)D≈11mm
根據(jù)表2.2標(biāo)準(zhǔn)取12mm
活塞桿強(qiáng)度校核：==3.9mm，滿足實(shí)際設(shè)計(jì)要求。
導(dǎo)向長度：H≥L/20+D/2=50mm（L為液壓缸行程，根據(jù)表2.2選標(biāo)準(zhǔn)值500mm）
導(dǎo)向套長度：A=(0.6～1.6)D≈60mm
活塞長度：B=(0.6～1.0)D≈50mm
4.4 沖壓機(jī)械手的液壓緩沖裝置
液壓缸的活塞桿具有一定的質(zhì)量，在液壓力的驅(qū)動(dòng)下運(yùn)動(dòng)時(shí)具有很大的動(dòng)量。在他們的行程終端，當(dāng)桿頭進(jìn)入液壓缸的端蓋和缸底部分時(shí)，會(huì)引起機(jī)械碰撞，產(chǎn)生很大的沖擊和噪聲，沖擊壓力大約是額定工作壓力的兩倍，這就必然會(huì)嚴(yán)重影響液壓缸和整個(gè)工業(yè)機(jī)械手正常工作，使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性及重復(fù)定位精度大大降低。采用緩沖裝置，就是為了避免這種機(jī)械碰撞。緩沖裝置可以防止和減少液壓缸活塞及活塞桿等運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)缸底或缸蓋的沖擊，在它們的行程終端能實(shí)現(xiàn)速度的遞減，直至為零，避免硬性沖擊。
緩沖裝置的工作原理是當(dāng)活塞在到達(dá)行程終端之前的一段距離內(nèi)，設(shè)法把排油腔內(nèi)油液的一部分或全部封閉起來，使其通過縫隙（或節(jié)流小口）排出，從而使被封閉的油液產(chǎn)生適當(dāng)?shù)木彌_壓力，作用在活塞的排油側(cè)上，與慣性力想對(duì)抗，以達(dá)到減速制動(dòng)的目的。
4.5 本章小結(jié)
本章主要介紹了沖壓機(jī)械手的伸縮缸和手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的尺寸綜合，是對(duì)沖壓機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，綜合第二章和第三章的部分設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)對(duì)沖壓機(jī)械手整體進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過理論計(jì)算和相關(guān)參考資料，合理確定伸縮缸的外形結(jié)構(gòu)尺寸。
結(jié)論
本文通過對(duì)沖壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過參考資料和理論計(jì)算的方式合理明確設(shè)計(jì)要求，對(duì)沖壓機(jī)械手的理論外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，建立里沖壓機(jī)械手的模型，分析力沖壓機(jī)械手在使用過程中的所受力矩和外形結(jié)構(gòu)，得到了如下結(jié)論：
1.通過對(duì)沖壓機(jī)械手的分拆設(shè)計(jì)，依次進(jìn)行主次結(jié)構(gòu)的分別設(shè)計(jì)，最后確定沖壓機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，分步校核得理論設(shè)計(jì)符合強(qiáng)度應(yīng)用。
2.完成了沖壓機(jī)械手的手部設(shè)計(jì)工作，通過分別設(shè)計(jì)手部機(jī)構(gòu)的手爪、腕部和伸縮缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)沖壓機(jī)械手的理論設(shè)計(jì)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)及最終結(jié)構(gòu)的確定。
通過理論計(jì)算和參考資料，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的沖壓機(jī)械手符合設(shè)計(jì)任務(wù)書的設(shè)計(jì)要求，分步校核結(jié)果符合材料的強(qiáng)度要求，對(duì)實(shí)際的設(shè)計(jì)生產(chǎn)具有理論指導(dǎo)意義。
致謝
本設(shè)計(jì)是在張寶海老師的悉心指導(dǎo)下完成的，同時(shí)也得到了陶福春老師很多的幫助和指導(dǎo)。在這幾個(gè)月的設(shè)計(jì)過程中，兩位老師都給了我耐心的指導(dǎo)。兩位老師淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作作風(fēng)，以及對(duì)學(xué)生無微不至的關(guān)心和愛護(hù)，令我終身難忘，將會(huì)使我終身受益。在此謹(jǐn)向兩位老師致以深深的敬意和忠心的感謝！在本文的設(shè)計(jì)過程中，也得到了很多同學(xué)的幫助和指正，感謝他們給我的大力支持和幫助。
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10 黃鶴汀 機(jī)械制造技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社，1992：48~65
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10 黃鶴汀 機(jī)械制造技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社，1992：48~65