六自由度機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 隨著人類活動(dòng)領(lǐng)域的進(jìn)一步擴(kuò)大 人們對(duì)非制造業(yè)用機(jī)械手的研究空前活躍起 來 對(duì)機(jī)械手智能化和多樣化的要求也越來越高 需要機(jī)械手具有對(duì)外感知能力以 及局部的自己規(guī)劃能力等 而通用機(jī)械手也在向機(jī)構(gòu)靈巧 動(dòng)作準(zhǔn)確可靠 反應(yīng)快 重量輕 剛度好 便于裝卸與維修等方向快速發(fā)展 此機(jī)械手采用全液壓驅(qū)動(dòng)方式 采用球坐標(biāo)形式 自由度數(shù)為六 分別為 Z 方 向的升降運(yùn)動(dòng) 繞 Z 方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 手臂的仰俯運(yùn)動(dòng) X 方向的伸縮運(yùn)動(dòng) 手腕 的仰俯運(yùn)動(dòng) 繞 X 方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 主要完成手部結(jié)構(gòu) 腕部結(jié)構(gòu) 臂部結(jié)構(gòu)和機(jī) 身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 各部分缸體的結(jié)構(gòu)位置的設(shè)計(jì)計(jì)算 各自由度運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 具體結(jié) 構(gòu)設(shè)計(jì)過程中用了大量時(shí)間對(duì)機(jī)械手各部分進(jìn)行了校核 在機(jī)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)參數(shù)的條 件下 使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)盡量?jī)?yōu)化 關(guān)鍵詞 機(jī)械手 通用 自由度 液壓驅(qū)動(dòng) 球坐標(biāo) Abstract With fields of human activity going further the research on application of the manipulator in non manufacturing sector has been rising largely The requirements to manipulator of intelligent and diversification are increasingly higher and higher to meet people s demand which need manipulator with capability of external perception and local planning And universal manipulator also has developed rapidly towards the direction of dexterous mechanism accurate and reliable movements rapid reaction light weight high stiffness And the universal manipulator can easy to load and unload and to be repaired easily The number of freedom degree manipulator which using the approach of hydraulic driven using spherical coordinates forms is six which include Z direction of the movement the rotary movement around Z direction the swing movement of arms X direction of the stretching exercise swing movement of the wrist the rotary movement around X direction Structure of the hand wrist arm are caculated and designed The checking for each part of the manipulator costs much time during process of specific structural design In the condition of meeting the requirement of parameters the structure is optimized as far as possible Keywords Manipulator Universal Freedom degree Hydraulic I 目 錄 第 1 章 緒論 1 1 1 選題的背景和目的及意義 1 1 2 國(guó)內(nèi)外研究狀況和研究成果 1 1 3 課題的研究方法 2 1 4 本文研究?jī)?nèi)容 3 第 2 章 總體設(shè)計(jì)方案 4 2 1 總體設(shè)計(jì)要求 4 2 2 運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)介 4 2 2 1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的表示 4 2 2 2 構(gòu)件坐標(biāo)系的確定 5 2 3 機(jī)械手的組成 6 2 4 設(shè)計(jì)路線與方案 6 2 4 1 設(shè)計(jì)步驟 6 2 4 2 研究方法和措施 7 2 5 本章小結(jié) 7 第 3 章 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 8 3 1 手部設(shè)計(jì) 8 3 2 鉗爪式手指定位誤差的分析 9 3 3 手部夾緊油缸的設(shè)計(jì) 11 3 4 油缸壁厚的計(jì)算 12 3 5 活塞桿的計(jì)算和校核 13 3 6 本章小結(jié) 13 第 4 章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 14 4 1 腕部回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì) 14 4 2 腕部擺動(dòng)油缸的設(shè)計(jì) 16 II 4 3 本章小結(jié) 19 第 5 章 小臂的設(shè)計(jì)和計(jì)算 20 5 1 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和伸縮油缸的計(jì)算 20 5 2 活塞桿強(qiáng)度和剛度的校核 23 5 3 導(dǎo)向桿的強(qiáng)度校核 24 5 4 本章小結(jié) 25 第 6 章 俯仰缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算 26 6 1 俯仰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 26 6 2 缸蓋螺釘?shù)膹?qiáng)度校核 28 6 3 本章小結(jié) 29 第 7 章 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 30 7 1 大臂回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 30 7 2 油缸定片連接螺釘?shù)男：?33 7 3 機(jī)械手大臂升降缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算 34 7 4 機(jī)械手的不自鎖的條件 36 7 5 本章小結(jié) 37 結(jié) 論 38 參考文獻(xiàn) 39 致 謝 40 III IV 1 第 1 章 緒論 1 1 選題的背景和目的及意義 制造相似自己的機(jī)器人是人類長(zhǎng)期以來的夢(mèng)想 在不相同的歷史階段 首先是 在神話 小說中曾出現(xiàn)各種擬人的想象物 現(xiàn)代實(shí)體機(jī)器的誕生大約可以追溯到二十世紀(jì)五十年代 當(dāng)時(shí)由于核工業(yè)的興 起 為了處理放射性材料采用了機(jī)械手 不久 控制論 信息論等重大學(xué)科相繼問 世 所有這些科學(xué)的技術(shù)成果都為機(jī)器人技術(shù)的誕生和發(fā)展莫定了根本基礎(chǔ) 現(xiàn)實(shí)世界里的機(jī)器人并不沒有像小說作品里描述的那樣神通廣大 與真人形似 到以假亂真地步 就目前水平而言 機(jī)器人一般是不具有人的形態(tài)的 即使那些用 于娛樂的似人機(jī)器人 其智能的程度也遠(yuǎn)不能和人相比 大多數(shù)的機(jī)器人是用于生 產(chǎn)活動(dòng) 以提高工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量的 所以從這層意義上來說 機(jī)器人其實(shí)是一 個(gè)通用的自動(dòng)化裝置 機(jī)器人是一種具有可編程的 通用 有操作或移動(dòng)能力的自動(dòng)化機(jī)器 機(jī)器人的誕生和應(yīng)用是社會(huì)發(fā)展的最終需要 機(jī)器人又是在現(xiàn)代生產(chǎn)和科學(xué)技 術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上出現(xiàn)的 新一代的機(jī)器人已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn) 資源開發(fā) 排險(xiǎn)和救災(zāi) 社會(huì)服務(wù)和軍事技術(shù)中發(fā)揮越來越大的作用 機(jī)器人已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用 由于工 業(yè)機(jī)器人與其他設(shè)備組成的生產(chǎn)線已經(jīng)成百上千倍地提高了企業(yè)勞動(dòng)的生產(chǎn)率 提 高了產(chǎn)品的質(zhì)量 縮短了產(chǎn)品更新和換代的周期 機(jī)器人的出現(xiàn)和發(fā)展已經(jīng)使傳統(tǒng) 的工業(yè)生產(chǎn)的面貌發(fā)生了翻天覆地的變化 使人類的生產(chǎn)方式從手工的作業(yè) 機(jī)械 化 自動(dòng)化跨入了智能化的新時(shí)代 1 2 國(guó)內(nèi)外研究狀況和研究成果 隨著機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展 多種類型的機(jī)器人己相繼問世 機(jī)器人可以按用 途 結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)方法 智能水平等觀點(diǎn)進(jìn)行分類 不管怎樣分類 機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)都是一樣的 機(jī)器人是由臂 連桿 關(guān)節(jié)和 末端執(zhí)行裝置 連接工具 構(gòu)成 機(jī)器人的關(guān)節(jié)連接了兩個(gè)相鄰的剛體 即連桿 關(guān) 節(jié)提供連桿之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 關(guān)節(jié)即運(yùn)動(dòng)副 一些形狀和大小不同的機(jī)器人 可能 有著相同的幾何模型 僅幾何參數(shù)不同 并有相同的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果 多關(guān)節(jié)機(jī)械 手臂 顧名思義 關(guān)節(jié)多而長(zhǎng) 關(guān)節(jié)越多 手臂的重量就越大 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析就越復(fù) 雜 隨之而來的問題還有摜性的加大 過沖量的增大而引起動(dòng)力學(xué)分析的復(fù)雜化 以及連桿之間的平衡問題等 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化程度有了一個(gè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展 2 在實(shí)際的生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)工件的裝卸 轉(zhuǎn)向 輸送或操持焊槍 噴槍 扳手等工具 進(jìn)行特定環(huán)境下的加工 裝配等作業(yè)逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 已愈來愈引起人們的重視 實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手為液壓驅(qū)動(dòng) 此機(jī)械手的坐標(biāo)形式采用球坐標(biāo)式 其手臂 的運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成 即沿 x 軸的伸縮 繞 Y 軸的仰俯和 繞 Z 軸的回轉(zhuǎn) 這種機(jī)械手的手臂的仰俯運(yùn)動(dòng)能抓取地面上的物體 為了使手部 能適應(yīng)被抓物體方位的要求 常常設(shè)有手腕上下擺動(dòng) 使其手部保持水平位置或其 他狀態(tài) 此坐標(biāo)式的機(jī)械手動(dòng)作靈活 占地面積小 工作范圍大等特點(diǎn) 它適用于 沿伸縮方向傳動(dòng)的形式 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 按設(shè)計(jì)要求 使機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的功能 模仿人的手臂和手腕運(yùn)動(dòng) 需要六個(gè)自由度 自由度指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立 坐標(biāo)數(shù) 自由度的多少反映機(jī)器運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度 多關(guān)節(jié)手臂的優(yōu)良性能是其它傳統(tǒng)的機(jī)器人所不能比擬的 然而對(duì)它的研究碰 到了許多工程上的困難 尤其是手臂的重量問題 關(guān)節(jié)多而長(zhǎng)的機(jī)械手臂由于龐大 的重量而難以在實(shí)踐中推廣應(yīng)用 而重量問題中的瓶頸問題是驅(qū)動(dòng)單元問題 從過 去經(jīng)驗(yàn)來看 形狀記憶合金 磁動(dòng)的伸縮 氣動(dòng)伸縮驅(qū)動(dòng)單元的應(yīng)用范圍非常有限 驅(qū)動(dòng)主體還需是電機(jī) 但電機(jī)的重量又是一個(gè)有待解決的問題 電機(jī)的安裝位置以 及其數(shù)量則是其直接的影響因素 在多指機(jī)器人手的應(yīng)用方面 由于多指機(jī)器人手通常小于所安裝的機(jī)器人本體 所以可以提高機(jī)器人的整體精度 但是多手指的使用使整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性增加 并 且由于帶有多指機(jī)器人手的機(jī)器人的自由度很多 因此使得運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析復(fù) 雜化 同時(shí)由于自由度的增加將使抓取規(guī)劃工作變得困難 1 3 課題的研究方法 如前所述 多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的研究領(lǐng)域包括多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué) 問題 在研究中所遇到的困難就是機(jī)械手臂重量的問題 由于機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)大大 的簡(jiǎn)化 所以使多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分的析得以簡(jiǎn)化 從而使機(jī)械手 臂更加容易控制 本文重點(diǎn)在于多關(guān)節(jié)的機(jī)械手臂的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 解決手臂重的問題 并且 對(duì)手臂各關(guān)節(jié)處的定位及各臂在運(yùn)動(dòng)中的平衡問題提出了全新的解決方法 本機(jī)械手采用全液壓控制及驅(qū)動(dòng) 之所以采用液壓 主要是考慮到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 便于制造 有利于降低成本 整體設(shè)計(jì)中采用 3 個(gè)回轉(zhuǎn)缸 2 個(gè)伸縮缸和一個(gè)俯仰 伸縮缸 3 個(gè)回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)了 2 個(gè)腕部回轉(zhuǎn)和一個(gè)大臂回轉(zhuǎn) 2 個(gè)伸縮缸分別實(shí)現(xiàn) 大臂和小臂的伸縮運(yùn)動(dòng) 本課題所研究的內(nèi)容正是基于以上的問題 希望能夠通過理論分析和研究 設(shè) 計(jì)出一種新型的多關(guān)節(jié)式機(jī)械手臂 力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 驅(qū)動(dòng)器 即液壓元件 數(shù)量控制 在最少 3 1 4 本文研究?jī)?nèi)容 本文將在下面對(duì)關(guān)節(jié)式通用機(jī)械手進(jìn)行全面 系統(tǒng)的分析和討論以實(shí)現(xiàn)模仿人 手動(dòng)作 按給定的程序 軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取 搬運(yùn)和操作的裝置 在生產(chǎn)中 使用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平以及勞動(dòng)生產(chǎn)率 可以減少工人的工作強(qiáng)度 保證產(chǎn)品的質(zhì)量?jī)?yōu)良 實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn) 尤其在高壓 高溫 低溫 低壓 易爆 粉 塵 有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中 用機(jī)械手代替人進(jìn)行正常的工作 意義更 為的重大 本機(jī)械手仰俯結(jié)構(gòu)這樣處理有以下幾個(gè)好處 首先改善了機(jī)械重心偏離回轉(zhuǎn)軸 太長(zhǎng)的弊病 其次 實(shí)現(xiàn)同樣的仰俯角度時(shí) 直線缸比回轉(zhuǎn)缸更容易控制 在此 由于回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力是緊靠在回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片提供的 而直線缸由于導(dǎo)桿的作用 提供同樣的驅(qū)動(dòng)力矩 要比回轉(zhuǎn)缸容易些 最后從振動(dòng)的角度看 采用直線缸要比 采用回轉(zhuǎn)缸的振動(dòng)系數(shù)要小 從而增加了穩(wěn)定性 4 第 2 章 總體設(shè)計(jì)方案 2 1 總體設(shè)計(jì)要求 本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手為液壓驅(qū)動(dòng) 此機(jī)械手的坐標(biāo)形式采用球坐標(biāo)式 其手臂的 運(yùn)動(dòng)由一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)所組成 即沿 x 軸的伸縮 繞 Y 軸的仰俯和繞 Z 軸的回轉(zhuǎn) 這種機(jī)械手的手臂的仰俯運(yùn)動(dòng)能抓取地面上的物體 為了使手部能適 應(yīng)被抓物體方位的要求 常常設(shè)有手腕上下擺動(dòng) 使其手部保持水平位置或其他狀 態(tài) 此坐標(biāo)式的機(jī)械手動(dòng)作靈活 占地面積小 工作范圍大等特點(diǎn) 它適用于沿伸 縮方向傳動(dòng)的形式 但結(jié)構(gòu)復(fù)雜 按設(shè)計(jì)要求 使機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的功能 模 仿人的手臂和手腕運(yùn)動(dòng) 需要六個(gè)自由度 自由度指描述物體運(yùn)動(dòng)所需要的獨(dú)立坐 標(biāo)數(shù) 自由度的多少反映機(jī)器運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜程度 此機(jī)械手采用六個(gè)自由度 大 臂 回 轉(zhuǎn) 腕 部 擺 動(dòng) 正 負(fù) 90腕 部 轉(zhuǎn) 動(dòng) 正 負(fù)小 臂 水 平 伸 縮50m大 臂 升 降 2手 臂 仰 俯3 圖 2 1 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖 1 Z 方向的升降運(yùn)動(dòng) 2 繞 Z 方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 3 手臂的仰俯運(yùn)動(dòng) 上仰為30 下俯30 4 X 方向的伸縮運(yùn)動(dòng) 5 手腕的仰俯運(yùn)動(dòng) 6 繞 X 方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 2 2 運(yùn)動(dòng)分析簡(jiǎn)介 2 2 1 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方程的表示 機(jī)器人機(jī)構(gòu)可以認(rèn)為是由一系列的關(guān)節(jié)連接起來的連桿機(jī)構(gòu)組成 把構(gòu)件的坐 5 標(biāo)系嵌入機(jī)器人的每一個(gè)連桿結(jié)構(gòu)中 可以方便正確的描述一個(gè)連桿與下一個(gè)連桿 之間所在的關(guān)系 齊次的變換是描述這些坐標(biāo)系之間的相對(duì)位置與方向的一種通用 方法 把齊次變換記為 A 矩陣 一個(gè) A 矩陣僅僅是描述連桿構(gòu)件坐標(biāo)系之間相對(duì)平 移與旋轉(zhuǎn)的齊次坐標(biāo)變換 描述第 i 個(gè)連桿相對(duì)于第 i 1 連桿的位姿 對(duì)于本課題的 六個(gè)自山度機(jī)器人 則第六個(gè)連桿相對(duì)于基座的位姿可用以下式表示 Tn A1A2A3A4A5A6 2 1 2 2 2 構(gòu)件坐標(biāo)系的確定 為了描述連桿與連桿之間的數(shù)學(xué)關(guān)系 Denavit 和 Hertenberg 提出了為關(guān)節(jié)鏈中 的桿件建立主附一體的坐標(biāo)系的矩陣方法 即 D H 法 其運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系如圖 2 2 所示 X1Y122Z12Z044X3YZ3Z565XY4 圖 2 2 機(jī)械手 D H 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系簡(jiǎn)圖 0 機(jī)座坐標(biāo) 1 大臂升降缸坐標(biāo) 2 大臂回轉(zhuǎn)缸坐標(biāo) 3 小比伸縮缸坐標(biāo) 4 手臂俯仰缸坐標(biāo) 5 腕部擺動(dòng)缸坐標(biāo) 6 腕部回轉(zhuǎn)缸坐標(biāo) 該機(jī)械手的設(shè)計(jì)自由度為 6 個(gè) 旨在使其運(yùn)動(dòng)靈活 當(dāng)某方向的運(yùn)動(dòng)不宜過大 時(shí) 為滿足運(yùn)動(dòng)要求可通過與其相關(guān)的自由度來補(bǔ)充 這更有利于機(jī)械手的穩(wěn)定 此機(jī)械手還可以通過更換手抓 從事諸如噴涂 焊接等工作 6 本機(jī)械手采用全液壓控制及驅(qū)動(dòng) 之所以采用液壓 主要是考慮到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 便于制造 有利于降低成本 整體設(shè)計(jì)中采用 3 個(gè)回轉(zhuǎn)缸 2 個(gè)伸縮缸和一個(gè)俯仰 伸縮缸 3 個(gè)回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)了 2 個(gè)腕部回轉(zhuǎn)和一個(gè)大臂回轉(zhuǎn) 2 個(gè)伸縮缸分別實(shí)現(xiàn) 大臂和小臂的伸縮運(yùn)動(dòng) 2 3 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)機(jī)構(gòu)和控制部分所組成 各部分關(guān)系如圖2 3 圖2 3 工業(yè)機(jī)械手各部分關(guān)系圖 1 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括抓取部分 手部 腕部 臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng) 部件所組成 1 手部 直接與工件接觸的部分 一般是回轉(zhuǎn)型或平移型 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形式 多 樣 常用的有 滑槽杠桿式 連桿杠桿式 彈簧式等 2 腕部 是聯(lián)接手部和手臂的部件 并可用來調(diào)整被抓取物體的方位 3 臂部 手臂是支撐被抓物體 手部 腕部的重要部件 手臂的作用是帶 動(dòng)手指去抓取物件 并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到給定位置 該設(shè)計(jì)的手臂有三個(gè)自由 度 采用關(guān)節(jié)式坐標(biāo) 繞橫軸旋轉(zhuǎn) 上下擺動(dòng)和左右擺動(dòng) 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式具有較大的 工作空間和操作靈活性 機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)性容易進(jìn)行優(yōu)化 便于提高機(jī)械手的動(dòng)態(tài)操 作性能 2 行走機(jī)構(gòu) 有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu) 3 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 4 控制系統(tǒng) 有點(diǎn)位控制和連續(xù)控制兩種方式 5 機(jī)身 它是整個(gè)工業(yè)機(jī)械手的基礎(chǔ) 7 2 4 設(shè)計(jì)路線與方案 2 4 1 設(shè)計(jì)步驟 1 查閱相關(guān)的資料 2 確定研究路線和方案構(gòu)思 3 結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 4 根據(jù)所給的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算 5 按所給規(guī)格 范圍 性能進(jìn)行分析 強(qiáng)度與運(yùn)動(dòng)學(xué)校核 6 繪制裝配圖草圖 7 繪制總裝圖及零件圖等 8 總結(jié)問題進(jìn)行分析和解決 2 4 2 研究方法和措施 使用現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)方法和液壓傳動(dòng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì) 采用關(guān)節(jié)式坐標(biāo) 六個(gè)自由 度 可以繞橫 縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)和上下左右擺動(dòng) 以及Z向升降和X 向伸縮運(yùn)動(dòng) 2 5 本章小結(jié) 本章介紹了工業(yè)機(jī)械手的組成 規(guī)格參數(shù) 設(shè)計(jì)路線等內(nèi)容 這種設(shè)計(jì)的機(jī)械 手組成全面 配置合理 能達(dá)到一定的使用要求 8 第 3 章 手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 3 1 手部設(shè)計(jì) 機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作 按給定的程序 軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取 搬運(yùn)或操作的自動(dòng)裝置 生產(chǎn)中應(yīng)用機(jī)械手可以提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和勞動(dòng)生產(chǎn) 率 工業(yè)機(jī)械手的手部是用來直接握持工件的部位 既直接與工件接觸的部分 具 有模仿人手的動(dòng)作的功能 由于被握持弓箭到形狀 尺寸大小 輕重和材料性能 表面狀況等不同 所以工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)三多種多樣的 此機(jī)械手的手的手爪采用 回轉(zhuǎn)型外夾式 手爪為兩指 手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾個(gè)問題 1 應(yīng)具有足夠的握力 2 手指間應(yīng)具有一定的開閉角 3 應(yīng)保證棒料的準(zhǔn)確定位 4 應(yīng)考慮手指的通用性 考慮以上因素本機(jī)械手采用滑槽式手部結(jié)構(gòu) 這種手指的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 形狀小 工作靈活 其結(jié)構(gòu)如圖 3 1 所示 驅(qū)動(dòng)桿向下推動(dòng)手指夾緊 向上拉時(shí)則 手指張開 此結(jié)構(gòu)傳動(dòng)比較雙支點(diǎn)結(jié)構(gòu)小 但開閉范圍較大 圖 3 1 滑槽式手部結(jié)構(gòu)示意圖 3 1 22cosbNP 工件的夾取方式采用 手指水平位置夾垂直位置放置的工件時(shí) 9 3 2 0 5sinNGf f 摩擦系數(shù) 鋼對(duì)鋼 f 0 1 3 3 22 sicosbPc 為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力 振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效應(yīng)的影響 其 實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力 P 實(shí)際應(yīng)按以下式計(jì)算既 3 4 12K 實(shí) 際 式中 手部的機(jī)械效率 一般取 0 85 0 95 這里取 0 9 K1 安全系數(shù) 一般取 1 2 2 這里取 K1 1 2 K2 工作情況系數(shù) 重要是考慮慣性力的影響 3 5 21 Kag g 重力加速度 g 9 8kg s a 工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度 a 4 9kg s K 2 1 5 所以 3 6 1220 5sincosbPGcf 實(shí) 際 3 2 鉗爪式手指定位誤差的分析 采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的回轉(zhuǎn)型手指則在抓取不同的直徑的工件的時(shí)候 必定帶來定位 誤差 如圖 3 2 所示 圖 3 2 手指定位誤差示意圖 手指回轉(zhuǎn)中心的與工件軸心的位置間距離 X 如 X1 X2 隨被抓取工件的半徑 R 的變化而變化 因而對(duì)手指的定位精度有影響 當(dāng)選用合理的手指尺寸及參數(shù)時(shí) 可以使手指的定位誤差控制在較小的范圍內(nèi) 10 22222cos1 in sinsinABCABABXllRl 3 7 當(dāng) 時(shí)有最小值 XmincoABRl 3 8 silmi 而且 X 的變化是以 R0 分界為左右對(duì)稱的 若工件的半徑 3 9 0ABR linco 由變 化到 時(shí) X 值的最大變化量既定位誤差 用 表示 當(dāng) R0 maxRmin 時(shí) max 3 10 22max1ax cosinsiinABABABlll 3 11 22mini isRlll 取其中的較大者 如圖 3 3 誤 差 圖 3 3 定位誤差分析圖 分析圖可知 R0 處于在 和 中間時(shí)maxinR 時(shí)最小 i2 由前述 知 可得到最佳偏轉(zhuǎn)角 sincolAB 3 12 1sincpcABRl 式中 平均半徑 取 為 2 5 倍 cpRABl 11 50237 cpR 37 5 2 5 94 mmABl 取 V 型手指的夾角為 1 1coscos0 4629 inpABl 計(jì)算定位誤差 1 30 mm 2 mm 22maxax sinsini50509494 46290 876nccAB ABRlll 現(xiàn)取 b 83 mm c 30 mm mm 3 ABl283 si1 50cos309P 實(shí) 際 593 0 kg 2cm 3 3 手部夾緊油缸的設(shè)計(jì) 手部夾緊油缸采用單作用彈簧復(fù)位缸 彈 工封 圖 3 4 單作用彈簧復(fù)位油缸示意圖 如圖 3 4 所示 作用在活塞上的總機(jī)械載荷 P 3 12 P 工 封 彈 式中 工作阻力 kg P工 件 缸密封裝置處的摩擦阻力 kg 封 彈簧的反作用力 kg 彈 12 kg 3 13 43 8GdPLSDZ 彈 2cm 式中 L 活塞的行程 cm S 彈簧預(yù)壓縮量 cm G 彈簧材料的剪切模量 對(duì)于鋼材 G 8 1 kg 5102c d 彈簧鋼絲直徑 cm D 彈簧中徑 cm Z 彈簧的有效圈數(shù) 取 d 0 6 cm D 3 6 cm Z 取 3 P 0 28 0 5 D 8 4 15mm kg 5438 10 622 75 彈 2cm 當(dāng)油缸工作的壓力不大于 100 活塞直徑為油缸直徑的一半時(shí) 活塞和kg 活塞桿采用 O 形密封時(shí) 0 03P 3 14 封 P 作用在活塞桿上的推力 kg 2c P 718 8 234 8 0 03P 求得 P 982 6 kg 2cm kg 3 15 24Dp 2cm 式中 P 為油缸的工作壓力 kg 取 P 35 kg cm 5 97p 取 D 6 3 cm 取 d 2 8 cm D 為油缸內(nèi)徑 d 為活塞桿的直徑 經(jīng)計(jì) 算取油缸的長(zhǎng)度為 l 40mm 流量的計(jì)算 226 354 6 71LQt 升 分 t 為活塞移動(dòng)行程的時(shí)間 3 4 油缸壁厚的計(jì)算 油缸的內(nèi)徑 D 確定后 由強(qiáng)度條件計(jì)算所需的最小的油缸壁厚 依據(jù)材料力 學(xué)的薄壁筒公式 油缸的壁厚 可用下式計(jì)算 cm 3 16 2 pD 計(jì) 13 式中 計(jì)算壓力 其值比油缸的最大工作壓力 P 大 20 30 即p計(jì) 1 2 1 3 P p計(jì) 3 17 D 為油缸內(nèi)徑 cm 油缸材料的許用應(yīng)力 kg 2cm 3 18 bn 其中 為油缸材料的抗拉強(qiáng)度 kg n 為安全系數(shù) 一般取 n 3 5 b 2c 600 kg 鑄鐵 2cm cm 1 23 5 06 86 現(xiàn)取 0 8 cm 3 5 活塞桿的計(jì)算和校核 取活塞桿的長(zhǎng)度為 50mm 小于 15 28 420 mm 所以具有足夠的穩(wěn)定性 不必 校核其穩(wěn)定性 只需按強(qiáng)度校核 3 19 2 4Pd 3 20 bn 活塞桿材料的許用壓力 kg 2cm 活塞桿材料的抗拉強(qiáng)度 kg n 為安全系數(shù) 一般取 n 不小于 1 4 b 活塞桿材料一般用碳鋼 1000 1200 kg b 2 kg kg 25936 84 c103 2cm 所以強(qiáng)度合格 3 6 本章小結(jié) 本章介紹了通用關(guān)節(jié)式機(jī)械手手部各部分的計(jì)算與分析 分別為鉗爪式手指定 位 誤差 手部夾緊油缸 油缸壁厚 活塞桿等結(jié)構(gòu) 并進(jìn)行了計(jì)算與校核 在使用中 14 能滿足要求 第 4 章 腕部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 4 1 腕部回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)械手的手腕部件設(shè)置在手部和臂部之間 它的主要作用是在臂部運(yùn)動(dòng)的 基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變和調(diào)整手部在空間的方位 以擴(kuò)大機(jī)械手動(dòng)作的范圍 使機(jī)械手 變的更加靈巧 適應(yīng)能力更強(qiáng) 多自由度的腕部 在空間的靈活度越好 但是活動(dòng) 度越多 結(jié)構(gòu)越加復(fù)雜 技術(shù)難度也越大 為實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)與仰俯運(yùn)動(dòng) 此處采 取裝有軸線互相垂直的回轉(zhuǎn)油缸的雙腕部結(jié)構(gòu) 其設(shè)計(jì)和計(jì)算如下 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力必須克服手腕啟動(dòng)時(shí)的所產(chǎn)生的慣性力矩 手腕 的轉(zhuǎn)軸與支承孔處的摩擦力矩 動(dòng)片與缸徑 定片 端蓋等處密封裝置的摩擦阻力 矩及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重的力矩 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的 驅(qū)動(dòng)力矩可按以下公式計(jì)算 4 1 M 驅(qū) 偏 摩 慣 式中 驅(qū)動(dòng)手轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 kg cm 驅(qū) 慣性力矩 kg cm 慣 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量 包括工件 手部 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片 偏 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 kg cm 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩 kg cm M摩 設(shè)手指夾在棒料的重心位置 故 0 摩擦阻力矩 0 1 設(shè)手指以M偏 M摩 驅(qū) 及夾緊油缸等等效為一個(gè)圓柱件 長(zhǎng)度為 290mm 質(zhì)量為 5 0 28 0 49 5 77 kg 估 取為 6 kg 可求得 D 58 mm kg223110 8 6710 2844ml 為夾緊油缸活塞桿的質(zhì)量 kg2232 5 49l 為轉(zhuǎn)動(dòng)油缸直徑的質(zhì)量 估取 5 kg 手部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量 m手 算取工件的長(zhǎng)度 15 m1230 2 7814l m223 0 5 l 若手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度為 啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度為 則 kg 4 2 21 MJ 慣 式中 J 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)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1 2220 3 1 3 05 86mlR 工 2kgm 2 11J工 2260 9 152kg 設(shè)啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度為 20 等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 100 s 計(jì)算慣性 力矩用如下公式 2 100 1752 865 6kgm123 5NMJ 工慣 所以 337240cM 驅(qū) 驅(qū) 驅(qū) 確定轉(zhuǎn)軸的最小尺寸 4 3 0 tWd 抗扭截面系數(shù) tW 4 4 t 所以 30 2 Md 要求 軸的材料選用 45 號(hào)鋼 查得 40 50 MPa m33 617 20 50 24d 取 d 40mm 之所以取這么大主要是考慮到結(jié)構(gòu)的要求 回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計(jì)算按如下公式 16 4 5 28MDdbp 式中 M 作用在動(dòng)片 即輸出軸 上的外載力矩 kg cm p 回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力 取 p 35 2kgcm 2kgcm d 輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑 cm b 動(dòng)片的寬度 cm 為減小動(dòng)片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動(dòng) 片的懸伸長(zhǎng)度 選擇動(dòng)片寬度 即油缸長(zhǎng)度 可按 2b D d 2 選用 cm 初取 b 5cm D 回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑 cm 取 D 9 cm281408 9753 流量的計(jì)算 2 23 5 4 50 2 13 40bdQ 升 分 3816 7 D 升 分 油缸的內(nèi)徑 D 確定后 由強(qiáng)度條件計(jì)算所需的最小的油缸壁厚 依據(jù)材料力 學(xué)的薄壁筒公式 油缸的壁厚 可用下式計(jì)算 4 6 2 pD 計(jì) 式中 計(jì)算壓力 其值比油缸的最大工作壓力 P 大 20 30 即p計(jì) 1 2 1 3 P p計(jì) 4 7 D 為油缸內(nèi)徑 cm 油缸材料的許用應(yīng)力 kg 2cm 4 8 bn 其中 為油缸材料的抗拉強(qiáng)度 kg 600 kg 鑄鐵 b 2c 2cm n 為安全系數(shù) 一般取 n 3 5 mm 1 23 9 4510 360 現(xiàn)取 10 mm 17 4 2 腕部擺動(dòng)油缸的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)手腕擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)采用單葉片回轉(zhuǎn)油缸 擺動(dòng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力必須克服手腕啟動(dòng) 時(shí)的所產(chǎn)生的慣性力矩 手腕的轉(zhuǎn)軸與支承孔處的摩擦力矩 動(dòng)片與缸徑 定片 端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的 偏重矩 根據(jù)圖 4 1 有 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按以下公式 4 9 M 驅(qū) 偏 摩 慣 式同公式 4 1 圖 4 1 夾緊油缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 設(shè)手指夾在棒料的重心位置 故 0 M偏 摩擦阻力矩 0 1 M摩 驅(qū) 估算 l 360mm 132 5 mm 277 mm 1e2e 設(shè)手指以及夾緊油缸等等效為一個(gè)圓柱件 長(zhǎng)度為 360 mm 質(zhì)量為 5 0 28 4 9 28 kg 可求得 D 65 mm kg2232211 7 80 15 0 9 4 044mlRr 回 桿 手指回轉(zhuǎn)油缸的質(zhì)量 回 cm12 27 361 450eml 回 手 工 件回 手 工 件 e 為擺動(dòng)油缸偏離重心的距離 所以克服偏心力矩 29 31 4 910 6kg cm 9 11 kg mM偏 Ge 若手腕擺動(dòng)的角速度為 啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度為 則 kg 4 10 21 J 慣 工 件 18 式中 參與手腕的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1J 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 工 件 則 2 2221 90 36 3 0 36 5 9 71mlR 2kgm 20 6J工 kgm 設(shè)啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度為 20 等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 50 s 計(jì)算慣性力矩用如下公式 2 21 500 75 0 175 6 3 MJ 工慣 kgm 9 1M 驅(qū) 驅(qū) 偏 摩 慣 得 4kgmc 驅(qū) 確定轉(zhuǎn)軸的最小直徑 4 11 316tWd 抗扭截面系數(shù) t 4 12 tM 所以 4 13 30 2 d 要求 4 14 軸的材料選 45 號(hào)鋼 查得 40 50 Mpa m 33 6140 240 2 Md 查表取 d 25 mm 擺動(dòng)油缸內(nèi)徑的計(jì)算 4 15 28Ddbp 式中 M 作用在動(dòng)片 即輸出軸 上的外載力矩 kg p 回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力 取 p 80 2kgcm 2kgc d 輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑 cm b 動(dòng)片的寬度 cm 為減小動(dòng)片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動(dòng) 片的懸伸長(zhǎng)度 選擇動(dòng)片寬度 即油缸長(zhǎng)度 可按 2b D d 2 選用 cm 初取 b 5cm D 回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑 19 cm28140 5 8D 查表取 D 6 3 cm 流量的計(jì)算 2 23 36 5 00 1751 4 44bdQ 升 分 油缸的內(nèi)徑 D 確定后 由強(qiáng)度條件計(jì)算所需的最小的油缸壁厚 依據(jù)材料力 學(xué)的薄壁筒公式 油缸的壁厚 可用下式計(jì)算 cm 4 16 2 p 計(jì) 式中 計(jì)算壓力 其值比油缸的最大工作壓力 P 大 20 30 即p計(jì) 1 2 1 3 P p計(jì) D 為油缸內(nèi)徑 cm 油缸材料的許用應(yīng)力 kg 2cm 4 17 bn 2 其中 為油缸材料的抗拉強(qiáng)度 kg n 為安全系數(shù) 一般取 n 3 5 b c 600 kg 鑄鐵 2 cm 1 3 806 15 64 現(xiàn)取 16 mm 4 3 本章小結(jié) 本章介紹了通用關(guān)節(jié)式機(jī)械手腕部各部分的計(jì)算與分析 分別為腕部回轉(zhuǎn)油 缸 腕部擺動(dòng)油缸等結(jié)構(gòu) 并進(jìn)行了計(jì)算與校核 在使用中能滿足要求 20 第 5 章 小臂的設(shè)計(jì)和計(jì)算 5 1 小臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和伸縮油缸的計(jì)算 手臂部件是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件 它的作用是支撐腕部和手部并帶動(dòng)他們作空間 運(yùn)動(dòng) 臂部運(yùn)動(dòng)的目的 一般是把手部送達(dá)空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意點(diǎn)上 此處為實(shí) 現(xiàn)沿 X 軸伸縮的自由度要求 小臂的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成雙作用油缸 臂部結(jié)構(gòu)采用懸 臂梁用無縫鋼管作為導(dǎo)向桿 用鋼板作為支撐板 這樣大大提高臂的剛度 對(duì)大大 減輕了手臂的自重 而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng)裝置或者油管路 有利于機(jī)構(gòu) 緊湊 臂部的變形不僅與自身剛度有關(guān) 而且同支撐距離有很大的關(guān)系 其結(jié)構(gòu)如 圖 5 1 回封 1封 2封 3封 3導(dǎo)導(dǎo) 導(dǎo)導(dǎo)總 圖 5 1 小臂示意圖 手臂作水平伸縮時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力 P驅(qū) 5 1 P 驅(qū) 工 導(dǎo) 回 封 慣 式中 0 水平伸縮時(shí)P工 導(dǎo)向裝置的摩擦阻力矩導(dǎo) 21 這種結(jié)構(gòu)在啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)向處的摩擦阻力矩較大 導(dǎo)向裝置的結(jié)構(gòu)采用雙向?qū)U 其導(dǎo)向截面形狀是圓柱截面 結(jié)構(gòu)如圖 這里取水平極限位置即小臂完全伸出時(shí) 初定活塞桿長(zhǎng)為 550mm 直徑 D 28 mm 則桿的質(zhì)量 kg223110 8 5710 4544mdl 桿 先估取導(dǎo)向桿的質(zhì)量為 5kg 500 5 3 2 6 204 517 64L 工 回 mm358 74 21 5 2 2 LaLaPabRaGG 導(dǎo) 導(dǎo) 導(dǎo) 總 總 式中 a 導(dǎo)向桿的支撐長(zhǎng)度 cm 當(dāng)量摩擦系數(shù) 圓柱面 1 27 1 57 取 1 5 摩擦系數(shù)對(duì)于靜摩擦且無潤(rùn)滑 鋼對(duì)鑄鐵取 0 18 0 3 0 25 L 手臂參與運(yùn)動(dòng)零部件的總質(zhì)量重心到支撐前端的距離 cm 參與運(yùn)動(dòng)的零件的總重 含工件的重量 kg G總 kg 22784 504 150 139 8LaP 導(dǎo) 總 密封裝置處的摩擦阻力 封 在壓力油液驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí) 各密封裝置處摩擦阻力之和為 P封 5 3 123PP 封 封 封 封 當(dāng)油缸的工作壓力不大于 100kg 活塞桿的直徑為活塞油缸直徑的一半采cm 用 o 型密封圈時(shí) 0 03 5 4 12封 封 驅(qū) 伸縮油管處的摩擦阻力 為 3P封 5 5 3pdl 封 式中 密封圈與配合面的摩擦系數(shù) 主要與密封圈的形式 材料及之配合接觸 的零件材料和油液壓力有 關(guān) 對(duì)于 0 型圈 當(dāng)油液壓力 P15 28 420mm228615 4Ad 2m 5 11 Ji 5 12 46d c 式中 A 活塞桿橫截面的面積和 D 活塞桿橫截面的直徑 I 為活塞桿橫截面的慣性半徑 cm J 活塞桿橫截面對(duì)中性軸的慣性矩 4cm cm 2874i 5 13 li 式中 活塞桿的計(jì)算柔度 柔度系數(shù) l 活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度 cm 長(zhǎng)度折算系數(shù) 亦稱約束影響系數(shù) 一端固定一端鉸支時(shí) 0 7 所以 0 75li 246931206 sab 式中 特定的柔度值 2 為活塞桿的流動(dòng)極限 查表 a 4690kg b 26 2kg s 2cm2c 對(duì)于 的壓桿 只會(huì)因強(qiáng)度不足而破壞 并不會(huì)失穩(wěn) 故對(duì)短壓桿只進(jìn) 2 行強(qiáng)度計(jì)算 24 5 14 24Pd 式中 P 活塞桿上所受的總機(jī)械載荷 kg d 活塞桿的直徑 kg 2216 3 84 Pd2cm 5 15 bn 活塞桿材料的許用壓力 kg 2c 活塞桿材料的抗拉強(qiáng)度 kg b n 為安全系數(shù) 一般取 n 不小于 1 4 活塞桿材料一般用碳鋼 1000 1200 kg b 2cm 則 kg 103 2c 5 3 導(dǎo)向桿的強(qiáng)度校核 當(dāng)導(dǎo)向桿伸出到最大狀態(tài)時(shí) 如果強(qiáng)度足夠也就滿足要求 此時(shí)的受力根據(jù)力 平衡公式 N1 N2 G g 2 0 N1 150 G g L 2 L 手臂參與運(yùn)動(dòng)零部件的總質(zhì)量重心到支撐前端的距離 前邊以算出 L 784 5mm G 42 14 求得 N 1 1080N N2 1286 5N 受力如圖 5 2 m 25 圖 5 2 導(dǎo)向桿彎矩圖 由圖知最大彎曲正應(yīng)力發(fā)生在 c 處 由正應(yīng)力條件 Pa633108 594102zMDW 式中 為抗彎截面系數(shù) zW 由查表 170MPa 所以強(qiáng)度滿足條件 5 4 本章小結(jié) 本章介紹了通用關(guān)節(jié)式機(jī)械手小臂各部分的計(jì)算與分析 分別為伸縮油缸 活 塞桿和導(dǎo)向桿等結(jié)構(gòu) 并進(jìn)行了計(jì)算與校核 在使用中能滿足要求 26 第 6 章 俯仰缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算 6 1 俯仰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 此機(jī)械手的仰俯結(jié)構(gòu)此機(jī)械手的手臂俯仰運(yùn)動(dòng) 采用活塞缸與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來 實(shí)現(xiàn)的 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂的正下方 其活塞桿和手臂用鉸鏈連接 缸體采用尾部耳環(huán)與立柱連接 驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算如圖 6 1 有 驅(qū)動(dòng)手臂仰俯的驅(qū)動(dòng)力矩 應(yīng)克服手臂等部件的重量對(duì)回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重 力矩和手臂子在起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩以及各回轉(zhuǎn)副處摩擦阻力矩 一般因手 臂座與立柱連接軸處有滾動(dòng)軸承 其摩擦阻力矩較小 在鉸鏈處的配合直徑較小 相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)角亦小 故摩擦阻力矩亦很小 均可忽略不計(jì) 則力矩平衡方程式可 簡(jiǎn)化成 6 1 M 驅(qū) 慣 偏 kgcm 式中 手臂作俯仰運(yùn)動(dòng) 在起動(dòng)時(shí)的慣性力矩 慣 c 手臂等部件的重量對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的偏重力矩 當(dāng)手臂上仰時(shí)偏 kg 為正 下俯為負(fù) 6 2 G 總偏 估算支撐板的質(zhì)量 kg3333701250617 80 19 支 549 95 032 42MGm 工 回偏 35 9 kg 計(jì)算起動(dòng)慣性力矩 慣 若機(jī)械手的等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 起動(dòng)時(shí)間為 t 則起動(dòng)慣性力矩公式為 6 3 1 MJt 工慣 kgm 式中 參與手腕的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1J 27 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J工 件 22142 0 0 41 4130 5 14 59 32 2kgm 59 工 2kgm 設(shè)機(jī)械手的等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為 25 s 起動(dòng)時(shí)間為 t 0 4s 則 1 50 7 0 175 9 3 0 4 MJt 工慣 kg 驅(qū)動(dòng)力矩 453 98 驅(qū) 慣 偏 kgc 下俯角 上 仰 角 圖 6 1 腕部受力示意圖 當(dāng)手臂于水平成仰角 和俯角 時(shí) 則作用在活塞上的驅(qū)動(dòng)力與手臂仰角 有1 2 關(guān) 手臂上仰時(shí)公式取加號(hào) 并且在計(jì)算擺動(dòng)時(shí)主要考慮上仰時(shí)的情況 只要是上 仰條件滿足 下俯一定能滿足 當(dāng)手臂處于仰角 狀態(tài)時(shí) 1 6 3 111coss inMPbatg 驅(qū) 式中 a b c 為機(jī)械手的手臂的結(jié)構(gòu)尺寸 cm P 作用在鉸接油缸活塞上的驅(qū)動(dòng)力 kg 驅(qū)動(dòng)手臂仰俯的驅(qū)動(dòng)力矩 M驅(qū) kgm 設(shè) b 0 21m a 0 21m 30 c 0 41m 1 所以 1 11180 92cos3 21cos0 2cos 0 s 4ininPbatgtg 驅(qū) 28 kg 432 8 2cm 確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸 6 4 24PDdp 驅(qū) 式中 p 油缸的工作壓力 2c d 活塞的直徑 cm D 油缸內(nèi)徑 cm 選取 p 35 d 0 5D 2m cm443 8 65Pp 查表取 D 5cm 油缸的內(nèi)徑 D 確定后 由強(qiáng)度條件計(jì)算所需的最小的油缸壁厚 依據(jù)材料力 學(xué)的薄壁筒公式 油缸的壁厚 可用下式計(jì)算 6 5 2 pD 計(jì) 式中 計(jì)算壓力 其值比油缸的最大工作壓力 P 大 20 30 即 p計(jì) 1 2 1 3 P 6 6 p計(jì) D 為油缸內(nèi)徑 cm 油缸材料的許用應(yīng)力 kg 2cm 6 7 bn 其中 為油缸材料的抗拉強(qiáng)度 kg b 2c n 為安全系數(shù) 一般取 n 3 5 600 kg 鑄鐵 2 cm 1 23 0 5 76 取 12mm 活塞桿穩(wěn)定性的校核 L 300mm 15 25 375mm 所以滿足 6 2 缸蓋螺釘?shù)膹?qiáng)度校核 油缸內(nèi)的工作壓力較大 為了保證連接的緊密性 缸蓋共用 4 個(gè) M6 螺釘 6 8 sn 29 6 9 24DpPQZ 6 10 0s 式中 p 為油缸的工作壓力 2cm Z 為螺釘?shù)臄?shù)目 分別為工作載荷 危險(xiǎn)剖面承受的拉力 和剩余鎖緊力 Q0s 為了緊密連接 k 6 11 sQ k 1 5 1 8 現(xiàn)選取 k 1 5 則 kg 202 53 476s 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 02 21 31 3769 06 44QdS 2kg cm 式中 S 為螺釘?shù)穆菥?6 12 sn 式中 為許用拉應(yīng)力 為螺釘材料的流動(dòng)極限 s n 為安全系數(shù) 一般 n 1 2 1 5 取 n 1 5 螺釘?shù)牟牧线x用 45 號(hào)鋼 3600 s 2cm 所以 2360 18kg c 5s 所以 強(qiáng)度足夠 6 3 本章小結(jié) 本章介紹了俯仰缸各部分的計(jì)算與分析 分別為俯仰結(jié)構(gòu)和缸蓋螺釘?shù)慕Y(jié)構(gòu) 并進(jìn) 行了計(jì)算與校核 在使用中能滿足要求 30 第 7 章 大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算 7 1 大臂回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)械手的大臂即機(jī)身是支撐手臂的部件 又是帶動(dòng)其運(yùn)動(dòng)的部件 主要是實(shí)現(xiàn) 臂部的升降 回轉(zhuǎn) 仰俯等運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu) 由于采用驅(qū)動(dòng)裝置 傳動(dòng)裝置 導(dǎo)向裝置 的不同 機(jī)身的結(jié)構(gòu)布局也不同 此處采用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上導(dǎo)向桿布置在活 塞缸內(nèi)部的機(jī)身結(jié)構(gòu) 手臂回轉(zhuǎn)所需驅(qū)動(dòng)力矩 采用回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩 應(yīng)該與手臂起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 以及各密封裝M驅(qū) M慣 置處的摩擦阻力矩 回轉(zhuǎn)油缸的壓力矩相平衡 軸承處的摩擦力矩忽略不計(jì) 封 則有 7 1 驅(qū) 回慣 封 kgcm 圖 7 1 手臂受力分析 式中 密封裝置處的摩擦力矩 如圖 7 1 M封 7 2 12M 封 封 封 31 動(dòng)片外徑與油缸壁密封裝置處的摩擦阻力矩 1M封 動(dòng)片側(cè)面與缸體的密封摩擦阻力矩 2封 7 3 11bpR 封 7 4 1 2Mrr 封 取 b 0 08m 0 006m R 0 06m r 0 03 0 5 1 12 485 2 封 封 封 kgcm 手臂起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 慣 7 5 00Jt 慣 式中 回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片的角速度變化量 在起動(dòng)的過程中 弧度 秒 起動(dòng)的時(shí)間 t 手臂回轉(zhuǎn)部件 包括工件 對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0JJ 板 工 件 其 他222220 14 5041 3 30 5 15 8 3 ml 30 8 2kg 設(shè)等角速度 40 s 起動(dòng)時(shí)間為 t 1s 則 kg m00 40J 1753 821 6Mt 慣 回轉(zhuǎn)油缸的回油腔的背反壓力回 kg cm 7 6 D222 dbbbppRrpDd 回 回 回 回 式中 回轉(zhuǎn)油腔壓力 一般取 0 2P 0 2 35 7 kg p回 回 cm kg m228 7167 58M 回 回 所以驅(qū)動(dòng)力矩 kg m 34 驅(qū) 回慣 封 擺動(dòng)油缸內(nèi)徑的計(jì)算 7 7 28MDdbp 32 式中 M 作用在動(dòng)片 即輸出軸 上的外載力矩 kg P 回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力 取 P 35 2kgcm 2kgcm d 輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑 cm b 動(dòng)片的寬度 cm 為減小動(dòng)片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的 懸伸長(zhǎng)度 選擇動(dòng)片寬度 即油缸長(zhǎng)度 可按 2b D d 2 選用 cm 初取 b 8 cm D 回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑 cm2834 5106 58 查表取 D 12 cm 流量的計(jì)算 2 23 38 16 500 754 44bDdQ 升 分 油缸的內(nèi)徑 D 確定后 由強(qiáng)度條件計(jì)算所需的最小的油缸壁厚 依據(jù)材料力 學(xué)的薄壁筒公式 油缸的壁厚 可用下式計(jì)算 7 8 2 pD 計(jì) 式中 計(jì)算壓力 其值比油缸的最大工作壓力 P 大 20 30 即p計(jì) 1 2 1 3 P 7 9 p計(jì) D 油缸內(nèi)徑 cm 油缸材料的許用應(yīng)力 kg kg 其中 為油缸材 2cm bn 2cmb 料的抗拉強(qiáng)度 kg 2c N 安全系數(shù) 一般取 n 3 5 600 kg 鑄鐵 2 cm 1 3 1 637602 現(xiàn)根據(jù)結(jié)構(gòu)需要取 25 mm 選擇鍵并校核強(qiáng)度 轉(zhuǎn)軸的直徑為 60mm 選鍵為 鍵高 h 鍵寬 b 11 18 mm 選取長(zhǎng)度為 50mm 假定載荷在鍵的工作面上均 勻分布 普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為 7 10 3210 pTkld 式中 T 傳遞的轉(zhuǎn)矩 N m k 鍵與輪轂槽的接觸高度 k 0 5h mm l 鍵的工作長(zhǎng)度 單位為 mm 33 圓頭平鍵 l l b mm d 轉(zhuǎn)軸的直徑 mm 許用的積壓應(yīng)力 MPa 代入數(shù)據(jù) p 3321024 598106 8 Tkld MPa 查表 鍵的材料選用鋼有輕微沖擊時(shí) 100 120 MPa 故鍵的強(qiáng)度滿足要求 p 7 2 油缸定片連接螺釘?shù)男：?摩 摩 圖 7 2 定片與固定軸的螺釘連接方式 定片與固定軸的用螺釘連接方式如圖 7 2 所示 聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù) 對(duì)稱的安 裝 并用兩銷定位 其作用是 使定片與固定軸的配合緊密接觸不留間隙 當(dāng)油腔 通過壓力油時(shí) 定片受油壓的作用產(chǎn)生一個(gè)合成液壓力矩 克服輸出軸上所受的外 載荷力矩反作用在動(dòng)片上 由于螺釘?shù)倪B接作用 使被聯(lián)接表面不能產(chǎn)生相對(duì)的滑 動(dòng) 為此 在安裝時(shí)必須擰緊螺釘 以便在被聯(lián)接件的配合表面間產(chǎn)生摩擦力以傳 遞動(dòng)力 依定片所受的力矩的平衡條件有 7 11 sln 2 82bdpDdMQZf 摩 即得 kg 7 12 2 4QZf 式中 Q 每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)加鎖緊力 kg b 動(dòng)片的寬度 cm 這里 b 8cm p 回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力 kg 這里 p 35 kg 2cm2cm D 動(dòng)片的外徑 即回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑 cm 這里 D 12cm d 動(dòng)片與軸配合處的直徑 cm f 被聯(lián)接件配合面間的 摩擦系數(shù) 鋼對(duì)鋼取 f 0 15 Z 螺釘?shù)臄?shù)目 這里 Z 8 將以上的數(shù)據(jù)帶入公式 kg2 2835 16 05440 bpQDdf 34 選 M8 的螺釘 則小徑 d D 1 0825P 7 13 P 為螺距 P 1 25mm d 6 647mm 螺釘?shù)膹?qiáng)度 221 3 10539 66474Qd 2kg cm 要求 l 式中 許用拉應(yīng)力 l 螺釘材料的流動(dòng)極限 kg 取材料為 40cr s 2c 6500 9000 n 為安全系數(shù) n 1 2 2 52m 所以 條件滿足 650 43 1 sln 2kg c 7 3 機(jī)械手大臂升降缸的設(shè)計(jì)和計(jì)算 對(duì)于懸臂式的機(jī)械手起傳動(dòng)件 導(dǎo)向桿和定位件的布置合理 以減少對(duì)升降支 撐軸線的偏心矩 防止卡死現(xiàn)象 也就是自鎖 手臂上升是靠油缸作用在活塞上的 推力而實(shí)現(xiàn)的 它除克服慣性力 摩擦阻力 背壓造成的阻力外 還需克服手臂 手腕 手部和被抓物件的質(zhì)量 其驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式為 7 14 PPG 驅(qū) 工 回 總慣 封 7 15 42 1GG 總 支 撐 板 水 平 伸 縮 油 缸 仰 俯 油 缸 本 身 缸 體 回 轉(zhuǎn) 油 缸 7 16 vgt 總慣 kg32 217 810 740 5 08 3 64m 仰 俯 油 缸 kg 1 1G 回 轉(zhuǎn) 油 缸 kg32217 810 4 0 37 6 4本 身 缸 體 所以 42 GG 總 支 撐 板 水 平 伸 縮 油 缸 仰 俯 油 缸 本 身 缸 體 回 轉(zhuǎn) 油 缸 kg 6 382 6 14 32 大臂起動(dòng)時(shí)受到的平均慣性力 可近似為 P慣 35 7 17 GvPgt 總慣 式中 參與運(yùn)動(dòng)的零件的總質(zhì)量 kg 包括被抓工件的質(zhì)量 G總 速度的變化量 m s 0 12m sv v 起動(dòng)過程的時(shí)間 s 0 01st t g 重力加速度 g 9 8 2 ms 則 kg14 3201498vPt 總慣 工作阻力 20kg 由前邊的計(jì)算取 工 工 0 03P封 驅(qū) 0 05回 工 帶入公式 kg1402 320 514 32PG 驅(qū) 工 驅(qū) 回 總慣 封 8 確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸 7 18 2PDdp 驅(qū) 式中 p 油缸的工作壓力 kg 2cm d 活塞的直徑 cm D 油缸內(nèi)徑 cm 選取 p 10kg d 7cm 2 cm244879 310PDp 驅(qū) 查表取 D 10cm 流量的計(jì)算 221 65 4040VQ 升 分 油缸的內(nèi)徑 D 確定后 由強(qiáng)度條件計(jì)算所需的最小的油缸壁厚 依據(jù)材料力 學(xué)的薄壁筒公式 油缸的壁厚 可用下式計(jì)算 cm 7 19 2 pD 計(jì) 式中 計(jì)算壓力 其值比油缸的最大工作壓力 p 大 20 30 即 p計(jì) 1 2 1 3 p 7 20 計(jì) D 油缸內(nèi)徑 cm 油缸材料的許用應(yīng)力 36 7 21 bn 2cm 油缸材料的抗拉強(qiáng)度 b n 安全系數(shù) 一般取 n 3 5 600 kg 鑄鐵 2c cm 1 23 810 24 66 根據(jù)結(jié)構(gòu)取 15mm 7 4 機(jī)械手的不自鎖的條件 偏重力矩 偏重力矩即手臂及其上所支撐的全部件的重量 作用在各自重心上 對(duì)手臂回轉(zhuǎn)軸的靜力矩 用 表示 手臂前伸時(shí)則偏重力矩為最大 因手臂在12R 總重量 G 的作用下 有一順時(shí)針方向傾斜的趨勢(shì) 而導(dǎo)套卻阻止手臂這種趨勢(shì) 導(dǎo) 套對(duì)立柱的作用力 如圖 7 3 根據(jù)立柱的力平衡有 12 7 22 0 xF 7 23 12R 7 24 Am 7 25 1hG 7 26 所謂不自鎖的條件就是升降立柱能在導(dǎo)套內(nèi)自由下滑 從力的觀點(diǎn)分析必須使 7 27 121GFRfGfh 所以 2hf 式中 f 為摩擦系數(shù) 一般鋼對(duì)鐵的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為 0 1 但考慮到還有其他的 摩擦副作用 如升降的導(dǎo)向裝置摩擦面 升降缸壁和活塞 活塞桿和缸蓋 f 值可 按較大的數(shù)值考慮 故取 f 0 15 37 圖 7 3 升降立柱的力分析 為偏重力臂即手臂等部件總重量的重心到立軸軸線間的距離 厘米 1504138 50 3152 7 64niGx 工 mm5 280 37 2 096 6 所以 mm 300mm 所以不會(huì)自鎖 1598hf 7 5 本章小結(jié) 本章介紹了通用關(guān)節(jié)式機(jī)械手大臂各部分的計(jì)算與分析 分別為大臂回轉(zhuǎn)缸 油 缸定片聯(lián)接螺釘 大臂伸降缸的結(jié)構(gòu)和機(jī)械手的不自鎖的條件 進(jìn)行了計(jì)算與校核 在使用中能滿足要求 38 結(jié) 論 目前國(guó)際機(jī)器人界都在加大研究力度 進(jìn)行機(jī)械手的共性技術(shù)的研究 并朝著 智能化和多元化方向發(fā)展 主要研究的內(nèi)容集中在以下幾個(gè)方面 機(jī)械手的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù) 探索新的輕質(zhì)高強(qiáng)度材料 進(jìn)一步提高負(fù)載的自重比 機(jī)械手控制技術(shù) 重點(diǎn)在于研究開放式 模塊化的控制系統(tǒng) 人機(jī)交界面更加 友好 語(yǔ)言 圖形編程的界面正在研究之中 機(jī)械手控制器的標(biāo)準(zhǔn)化與網(wǎng)絡(luò)化 除 了編程技術(shù)進(jìn)一步提高在線編程的可操作性之外 離線編程的實(shí)用化也將成為研究 重點(diǎn) 多傳感器系統(tǒng) 為了進(jìn)一步提高機(jī)械手的智能與適應(yīng)性 使用多傳感器是其問 題解決的根本 其研究熱點(diǎn)在于可行有效的多傳感器信息交融算法 機(jī)械手結(jié)構(gòu)靈巧 控制系統(tǒng)越來越小 兩者正朝著一體化的方向發(fā)展 隨著科技發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用的需要 現(xiàn)在各類型的移動(dòng)機(jī)器人普遍加裝了機(jī)械手 以使其成為一種多功能 高度自動(dòng)化的作業(yè)平臺(tái) 在實(shí)際應(yīng)用中有著不可估量的作 用 伴隨著機(jī)器人的發(fā)展 通用機(jī)械手也在向高傳動(dòng)精度 高效率 廣調(diào)速范圍 結(jié)構(gòu)小巧以及過載能力強(qiáng)等方向快速發(fā)展 由于使用場(chǎng)所和各種作業(yè)要求的不同 工業(yè)機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式也各不相同 技術(shù)復(fù)雜程