車床上料機(jī)械手設(shè)計(jì)（桂理工）,車床上料機(jī)械手設(shè)計(jì)（桂理工）,車床,機(jī)械手,設(shè)計(jì),理工
學(xué) 號(hào)： 3110644203
題目類型： 設(shè)計(jì)
(設(shè)計(jì)、論文、報(bào)告)
桂林理工大學(xué)
GUILIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題目： 車床上料機(jī)械手設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 機(jī)械與控制工程學(xué)院
專業(yè)(方向)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（機(jī)械裝備）
班 級(jí)： 機(jī)械11級(jí)2班
學(xué) 生： 梁學(xué)念
指導(dǎo)教師： 孫金榮
2015年5月30日
桂林理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)·論文
目次
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 課題選題的背景和選題目的 1
1.1.1 選題背景 1
1.1.2 選題目的 1
1.2 機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 1
1.2.1 機(jī)械手的概述 1
1.2.2 國內(nèi)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢 2
1.3機(jī)械手的組成與分類 4
1.3.1機(jī)械手的組成 4
1.3.2機(jī)械手分類 4
1.4本課題的研究內(nèi)容和要求 5
2 抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 6
2.1 手部的設(shè)計(jì)及其計(jì)算 6
2.1.1 手部設(shè)計(jì)要求 6
2.1.2 拉緊裝置設(shè)計(jì)原理 6
2.2 腕部的設(shè)計(jì)及其計(jì)算 9
2.2.1腕部扭矩的計(jì)算 9
2.2.2 油缸（伸縮）以及配件估算扭矩 10
2.3手臂伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11
2.3.1液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 11
2.3.2液壓缸機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì) 12
2.3.3腔流量的計(jì)算 12
2.4 液壓元件的選擇 13
2.4.1液壓泵的選擇 13
2.4.2液壓缸的工作壓力及其流量的計(jì)算 13
2.4.3 確定電機(jī)的規(guī)格 14
3 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)及草圖 16
3.1 手部抓取缸 16
3.1.1 手部抓取缸液壓原理圖 16
3.1.2 手部抓取缸液壓元件選擇 16
3.2 腕部擺動(dòng)液壓回路 17
3.2.1 腕部擺動(dòng)缸液壓原理圖 17
3.2.2 腕部擺動(dòng)缸液壓元件選擇 17
3.3 小臂伸縮缸液壓回路 18
3.3.1 小臂伸縮缸液壓原理圖 18
3.3.2 小臂伸縮缸液壓元件選擇 18
3.4 液壓原理總體系統(tǒng) 19
3.4.1 總體系統(tǒng)圖 19
3.4.2機(jī)械手在液壓驅(qū)動(dòng)下的工作過程 19
3.4.3 電磁鐵動(dòng)作順序表 20
4 機(jī)身機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
4.1 電機(jī)的選擇 21
4.1.1 帶動(dòng)臂部升降電機(jī)的選擇 21
4.1.2 帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)電機(jī)的選擇 21
4.2 減速器的選擇 22
4.3 螺柱的設(shè)計(jì)與校核 22
5 機(jī)械手的定位平穩(wěn)性與控制 24
5.1 常用的定位方式 24
5.2 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 24
5.3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置 25
5.4機(jī)械手的控制 25
6結(jié)論 26
致謝 27
參考文獻(xiàn) 28
摘要
本課題是為車床自動(dòng)送料設(shè)計(jì)的上料機(jī)械手，在整體設(shè)計(jì)方案下對(duì)機(jī)械手各部分進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)以及校核。通過應(yīng)用AutoCAD 技術(shù)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和液壓傳動(dòng)原理設(shè)計(jì)，它能實(shí)行自動(dòng)上料運(yùn)動(dòng)；在安裝工件時(shí)，將工件送入卡盤中的夾緊運(yùn)動(dòng)等。上料機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度是按著滿足生產(chǎn)率的要求來設(shè)定。
通過對(duì)課題的研究，首先對(duì)機(jī)械手的整體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析，確定機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式，所需要的動(dòng)作要求。機(jī)械手采用的驅(qū)動(dòng)方式是液壓驅(qū)動(dòng)，且有四自由度。根據(jù)方案的內(nèi)容與要求來設(shè)計(jì)機(jī)械手的抓取機(jī)構(gòu)，通過計(jì)算機(jī)械手各部分的驅(qū)動(dòng)力以及尺寸要求選取液壓泵，對(duì)液壓系統(tǒng)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)分析、繪圖。對(duì)機(jī)身機(jī)座進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選取合適的電機(jī)，對(duì)各部分進(jìn)行計(jì)算和校核。
本文具體介紹了機(jī)械手的研究現(xiàn)狀以及國內(nèi)外的發(fā)展趨勢以及機(jī)械手的分類和組成，并且對(duì)機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)的尺寸進(jìn)行具體設(shè)計(jì)和計(jì)算。通過對(duì)液壓系統(tǒng)原理的設(shè)計(jì)分析，選擇液壓元件同時(shí)繪制出草圖。同時(shí)對(duì)機(jī)械手的定位與平穩(wěn)性進(jìn)行了簡單的介紹。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；AutoCAD；驅(qū)動(dòng)方式
Lathe feeding manipulator design
Student:LIANG Xue nian Teacher:SUN Jin rong
Abstract:This topic is designed for automatic lathe feed feeding manipulator, under the overall design scheme of mechanical parts for parameters design and check. By applying the technology of AutoCAD design of manipulator structure and hydraulic principle design, it can implement automatic feeding movement; When installing a workpiece, the workpiece to chuck in the clamping movement and so on. Feeding manipulator movement speed is according to meet the requirements of productivity to set.
Based on the research of the subject, first of all to the overall design scheme of the manipulator were analyzed, and determine the driving mode of manipulator, the required action. Mechanical drive mode is used in hydraulic driving and four degrees of freedom. According to the requirements of the plan content and to design the scraping of the manipulator institutions, by calculating the manipulator driving force and the size of each part requires the selection of hydraulic pump, the hydraulic system principle to carry on the design analysis, drawing. Was carried out on the fuselage frame structure design, selection of suitable motor, to calculate and check the parts.
This paper introduces the research status of the manipulator and development trend both at home and abroad as well as classification and composition of the manipulator，and the size of the specific design of manipulator grasping mechanism and calculation. Through analyzing hydraulic system principle of design, choose hydraulic components sketch map at the same time. At the same time for positioning and stability of the manipulator has carried on the simple introduction.
Key words: manipulator；AutoCAD；Drive way
28
桂林理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)·論文
1 緒論
1.1 課題選題的背景和選題目的
1.1.1 選題背景
機(jī)械手是一種能夠模仿人類上肢運(yùn)動(dòng)，并且具有抓取和移動(dòng)工件的自動(dòng)化裝置，它在自動(dòng)化生產(chǎn)過程中使用中占有著重要地位。機(jī)械手是在自動(dòng)化、機(jī)械化生產(chǎn)過程中慢慢發(fā)展起來的新型自動(dòng)化裝置。隨著電子技術(shù)的發(fā)展特別是電子計(jì)算機(jī)在社會(huì)中的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的開發(fā)與生產(chǎn)已經(jīng)變成了高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)新興的技術(shù)，它加快了機(jī)械手的發(fā)展，讓機(jī)械手能夠更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和機(jī)械化的結(jié)合。機(jī)械手能夠代替人類完成各種危險(xiǎn)、重復(fù)而又枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。在機(jī)械行業(yè)中它的用途也及其廣泛，比如零部件組裝，工件的運(yùn)送、裝卸。它在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同組建成了一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元。在中、小批量的生產(chǎn)下，可以節(jié)省下龐大的工件輸送裝置與巨大的人力，而且其結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)力強(qiáng)。在工件變換時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)能夠容易的做出變化，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的產(chǎn)品，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。目前，工廠車削時(shí)，主要還是由人工搬運(yùn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，直接影響到工廠自動(dòng)化生產(chǎn)效率的提高，因此，不論是從經(jīng)濟(jì)上，還是技術(shù)上考慮，設(shè)計(jì)出一種能代替人力進(jìn)行自動(dòng)上料的車床上料機(jī)械手是十分必要的。
1.1.2 選題目的?
目前，在國內(nèi)很多工廠在進(jìn)行物料車削時(shí)，上料仍然主要由人工完成，勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,針對(duì)具體生產(chǎn)工藝，利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)上料機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計(jì)能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足加工中心的加工過程安裝工件的要求，從而減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)約加工輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。
1.2 機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢
1.2.1 機(jī)械手的概述
機(jī)械手是一種模仿人類上肢運(yùn)動(dòng)并能夠自動(dòng)操作的機(jī)械。在固定的程序下它能完成某些指定操作，比如搬運(yùn)工件或者抓取物品。在人類需要完成各種單調(diào)、重復(fù)而又煩躁或繁重的體力勞動(dòng)時(shí)可使用應(yīng)用機(jī)械手代替，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化與自動(dòng)化。當(dāng)在有害的環(huán)境下進(jìn)行的手工操作時(shí)就更需要用到機(jī)械手來代替人類進(jìn)行操作，這樣不僅可以改善勞動(dòng)條件，還能保證人身安全。因而在機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門中，機(jī)械手被廣泛使用。
??機(jī)械手的組成部分有手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),手部是用于工件的抓取,根據(jù)所被抓取工件的形狀、大小、重量、材質(zhì)和作業(yè)要求要有多種結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成人類各種所需規(guī)定的動(dòng)作，讓抓持工件的位置和姿勢發(fā)生改變。
??機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
??機(jī)械手一般會(huì)用于機(jī)床或其他機(jī)器作為附加裝置，在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上附加裝配上機(jī)械手可作為裝卸和傳遞工件的裝置，也可以用在加工中心中使其能夠自動(dòng)更換刀具等。通常情況機(jī)械手不能作為獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要人為操縱而不是自動(dòng)進(jìn)行操作，比如用于操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手，此機(jī)械手常用在原子能部門。
1.2.2 國內(nèi)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢
當(dāng)下機(jī)械手在工業(yè)中的應(yīng)用逐步擴(kuò)大，技術(shù)性能也在不斷的提高，但是機(jī)械手在技術(shù)上還有一個(gè)逐步完善的過程，其發(fā)展趨勢有以下幾點(diǎn)。
1）重復(fù)高精度
機(jī)械手能夠達(dá)到指定點(diǎn)的精準(zhǔn)程度稱為精度，它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)進(jìn)行多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精度程度。重復(fù)精度比精度更加重要，當(dāng)機(jī)械手定位不夠精確時(shí)，會(huì)顯示出一個(gè)固定的誤差，而這個(gè)誤差是可以預(yù)測的，所以可以通過編程進(jìn)行校正。重復(fù)精度的限定是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍，通過一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)械手測定出其重復(fù)精度。近年來,隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)越來越快的發(fā)展，機(jī)械手的重復(fù)精度變得越來越高，其應(yīng)用于社會(huì)的各個(gè)生產(chǎn)生活方面，比如應(yīng)用核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
2）模塊化
目前,有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡單的傳輸技術(shù)。而用模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手有著更具靈活的安裝體系，它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手動(dòng)作自如。模塊化機(jī)械手是同一個(gè)機(jī)械手應(yīng)用不同的模塊時(shí)會(huì)具有不同的功能，使機(jī)械手的應(yīng)用范圍變得更加廣闊，是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
3）節(jié)能化
為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的霧潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。
4）機(jī)電一體化
由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”；節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，能夠減少配線、配管和元件，同時(shí)便于拆裝，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。
5）逐步擴(kuò)大機(jī)械手在熱加工行業(yè)上的應(yīng)用
就目前國內(nèi)機(jī)械手行業(yè)來說，機(jī)械手更多的應(yīng)用在機(jī)械工業(yè)冷加工作業(yè)中，而在熱加工以及裝配作業(yè)等方面的應(yīng)用則相對(duì)較少。因?yàn)闊峒庸ぷ鳂I(yè)的對(duì)象情況較為復(fù)雜,比如物件較重、形狀復(fù)雜、環(huán)境溫度高等，這對(duì)于機(jī)械手的設(shè)計(jì)與制造要求會(huì)更高，這需要解決技術(shù)上的難點(diǎn)，機(jī)械手才能夠更好的服務(wù)于熱加工作業(yè)。
6）提高機(jī)械手的工作性能
機(jī)械手能否正常地應(yīng)用于生產(chǎn)工作中取決于機(jī)械手工作性能的優(yōu)劣。機(jī)械手能否保質(zhì)保量地完成各種操作任務(wù)必須考慮到機(jī)械手工作性能中的重復(fù)定位精度和工作速度這兩個(gè)指標(biāo)。重復(fù)定位精度和工作速度是機(jī)械手工作性能的兩個(gè)重要因素。因此，為了滿足機(jī)械手的工作平穩(wěn)性和快速性的要求，除了需要解決緩沖定位措施人手外，還要發(fā)展?jié)M足機(jī)械手性能要求且價(jià)格便宜的電液伺服閥，將伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于機(jī)械手。
7）發(fā)展組合式機(jī)械手
從機(jī)械手本身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)來說，可改編程序的機(jī)械手更適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、設(shè)備更新、多品種小批量的生產(chǎn)要求，但是它的成本較高，專用機(jī)械手價(jià)格便宜，但適用范圍受到限制。因此，對(duì)一些特殊用途的場合，就需要專門設(shè)計(jì)加工，這就提高了產(chǎn)品的成本。為了適應(yīng)不同領(lǐng)域的要求，可將機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成組合型式。這種機(jī)械手兼顧了設(shè)計(jì)上的通用性和使用上的專用性，便于標(biāo)準(zhǔn)化、系列化設(shè)計(jì)生產(chǎn)，有利于提高機(jī)械手的質(zhì)量同時(shí)有降低了成本，是一種很有發(fā)展前景的機(jī)械手。目前，國外已將研制力度投入到了擁有特殊能力的智能機(jī)械手，比如具有一定的傳感能力，能根據(jù)外界條件的變化進(jìn)行相應(yīng)的改變。比如位置發(fā)生變化時(shí)，能及時(shí)自行進(jìn)行檢測與更正，重點(diǎn)研究對(duì)象是視覺功能和觸覺功能，而且當(dāng)前已經(jīng)取得一定的成績。在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測距儀以及微型計(jì)算機(jī)時(shí)，機(jī)械手會(huì)具有視覺功能。在機(jī)械手工進(jìn)行作時(shí)，電視照相機(jī)能夠把物體的大小、形狀轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)，再把信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，然后計(jì)算機(jī)對(duì)物品的形態(tài)進(jìn)行分析，最后發(fā)出指令控制機(jī)械手進(jìn)行工作。在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置讓機(jī)械手具有觸覺功能?，F(xiàn)在國際的高端工業(yè)機(jī)械手有向高精化、高速化、多軸化、輕量化發(fā)展的趨勢。定位精度越來越高,足以滿足微米、亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，新產(chǎn)品達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)的總重量突破100KG。
1.3機(jī)械手的組成與分類
1.3.1機(jī)械手的組成
機(jī)械手的主要組成部分有：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)。
1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要組成部分有手部、手腕、手臂和立柱等部件，個(gè)別情況下有的會(huì)增加行走機(jī)構(gòu)。
手部：是機(jī)械手和物品直接接觸的部件。根據(jù)手部和物品接觸方式劃分，可分為夾持式和吸附式手部。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式。通過手指和傳力機(jī)構(gòu)的組成，手指與工件接觸而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務(wù)。
手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，通過手腕動(dòng)作改變抓取工件的方位。
手臂：支承手腕和手部的部件，起調(diào)整或改變工件空間方位的作用。
立柱：是支承手臂的部件。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動(dòng)的。
機(jī)座：是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支承和聯(lián)接的作用。
2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。其驅(qū)動(dòng)方式有四種，分別為：液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。
3）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)作為機(jī)械手的指揮系統(tǒng)是機(jī)械手最為重要的組成部分 ，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按照設(shè)定的程序進(jìn)行規(guī)定的工作，并檢測其正確與否。
1.3.2機(jī)械手分類
根據(jù)所承擔(dān)的作業(yè)的特點(diǎn)，工業(yè)機(jī)械手可以分成以下所說的三種：
1）承擔(dān)搬運(yùn)工作的機(jī)械手：這類機(jī)械手是用來完成輔助作業(yè)的，工藝設(shè)備運(yùn)行中需要完成的如裝卸毛坯、工件等工作時(shí)可采用搬運(yùn)工作機(jī)械手。生產(chǎn)工業(yè)用機(jī)械手：用于完成工藝過程中的主要作業(yè)。在進(jìn)行裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等工業(yè)作業(yè)時(shí)，一般都會(huì)用到這一類機(jī)械手。通用工業(yè)機(jī)械手：通?？梢酝瓿筛鞣N工藝作業(yè)它的用途十分廣泛。
2）按功能分類
專用機(jī)械手：它是附屬于主機(jī)的具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。一般專用機(jī)械手的自由度較少所以動(dòng)作少，因?yàn)槠涔ぷ鲗?duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用可靠而且造價(jià)低，所以適用于大批大量的自動(dòng)化生產(chǎn)，如自動(dòng)機(jī)床，自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手和“加工中心”附屬的自動(dòng)換刀機(jī)械手。
通用機(jī)械手：又稱工業(yè)機(jī)器人。它具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是它具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于不斷變換品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。
示教再現(xiàn)機(jī)械手：采用示教法編程的通用機(jī)械手。示教是指由人通過手動(dòng)控制，操控著機(jī)械手做一遍操作示范，在完成全部動(dòng)作后，它的儲(chǔ)存裝置能夠記憶下來。之后機(jī)械手可按示范操作的程序行程進(jìn)行重復(fù)的之前的操作示范工作。
3）按驅(qū)動(dòng)方式分：液壓傳動(dòng)機(jī)械手；氣壓傳動(dòng)機(jī)械手；機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手
4）按控制方式分
固定程序機(jī)械手：何為“固定”，指的是控制系統(tǒng)是一個(gè)固定程序的控制器。它的程序簡單，程序數(shù)少，而且是固定的，行程可以調(diào)節(jié)，但是不能任意點(diǎn)定位。
可編程序機(jī)械手：控制系統(tǒng)是一個(gè)可變程序控制器。它的程序可按照需要來進(jìn)行編排，行程能很方便改變。
1.4本課題的研究內(nèi)容和要求
研究數(shù)據(jù)及資料：
原始數(shù)據(jù)：四個(gè)自由度、臂轉(zhuǎn)動(dòng)180o、臂上下運(yùn)動(dòng)500mm、臂伸長（收縮）500mm、手部轉(zhuǎn)動(dòng)±180o。
技術(shù)要求：
主要參數(shù)的確定：
1）坐標(biāo)形式：直角坐標(biāo)系
2）臂的運(yùn)動(dòng)行程：伸縮運(yùn)動(dòng)500mm 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)180o。
3）運(yùn)動(dòng)速度：使生產(chǎn)率滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)的要求即可。
4）控制方式：起止設(shè)定位置。
5）定位精度：±0.5mm 。
6）手指握力：392N g、驅(qū)動(dòng)方式：液壓驅(qū)動(dòng)。
工件形式及分析動(dòng)作要求：
工件形式：
工件為重量10kg，長度小于800mm的小型回轉(zhuǎn)體棒料。
動(dòng)作要求分析：
動(dòng)作一：送料；動(dòng)作二：預(yù)夾緊；動(dòng)作三：手臂上升；動(dòng)作四：手臂旋轉(zhuǎn)；動(dòng)作五：小臂伸長；動(dòng)作六：手腕旋轉(zhuǎn)。
2 抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.1 手部的設(shè)計(jì)及其計(jì)算
2.1.1 手部設(shè)計(jì)要求
1）具有適當(dāng)夾緊力
在手部工作的時(shí)候，需要具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，保證夾持時(shí)能夠穩(wěn)定可靠，變形要小，而且不會(huì)損壞工件已經(jīng)加工表面。在對(duì)于剛性差的工件夾緊力的大小要設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，在對(duì)于笨重的工件要考慮用自鎖安全裝置。
2）具有足夠的開閉范圍
對(duì)于夾持類手部的手指都需要有張開以及閉合的裝置。在工作的時(shí)候，一個(gè)手指開閉的位置以最大的變化量稱之為開閉范圍。
對(duì)回轉(zhuǎn)類型手部手指的開閉范圍，可以用開閉角以及手指加緊端的長度來表示。手指的開閉范圍要求和許多的因素有關(guān)系，比如工件的尺寸和長度，手指的尺寸和長度。一般情況，如果工作環(huán)境滿足，開閉的范圍大一點(diǎn)比較好。
3）設(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)簡單，體積要小，重量輕
由于手部位于手腕的最前端，工作的時(shí)候運(yùn)動(dòng)形態(tài)多變，它的結(jié)構(gòu)，體積以及重量會(huì)影響整個(gè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)、抓重、定位精度、運(yùn)動(dòng)速度等性能。所以，設(shè)計(jì)手部的時(shí)候，要求結(jié)構(gòu)簡單，體積要小，重量輕。
4）手指需具有一定強(qiáng)度和剛度
5）其他要求
上料機(jī)械手、夾緊機(jī)械手，需根據(jù)工件形狀，采用最為經(jīng)常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式則用常閉式彈簧夾緊，在松開的時(shí)候，采用單作用式液壓缸。這種結(jié)構(gòu)比較簡單，制造方便。
2.1.2 拉緊裝置設(shè)計(jì)原理
1）拉緊油缸尺寸設(shè)計(jì)
圖2.1油缸示意圖
如圖2.1所示：在油缸的右腔停止進(jìn)油的時(shí)候，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進(jìn)油的時(shí)候松開工件。
圖2.1中：
R為傳動(dòng)銷到定位銷的長度；
Θ為連桿中心線與夾緊力作用線之垂線夾角；
L為連桿長度；
2）液壓缸內(nèi)徑D的計(jì)算
初步確定：L=150mm、R=50mm、θ=30°，手指對(duì)工件夾緊力F由（2-1）計(jì)算可得
F=N×2LcosθR2 （2-1）
由于設(shè)計(jì)要求預(yù)緊力N=G=392N,所以：
F=F計(jì)算=N×2LcosθR=392×2×150×(32)250=1756N
由于實(shí)際采用的液壓缸驅(qū)動(dòng)力F計(jì)算>F實(shí)際，而且
F實(shí)際=ηK1K2F計(jì)算 （2-2）
上式中K1為安全系數(shù)，一般情況下取1.2~2.0；K2為工作情況系數(shù)主要考慮慣性力影響，一般情況取1.1~2.5；
η為手爪機(jī)械傳動(dòng)效率，一般情況取0.85~0.9.
所以有：
F實(shí)際=1.2×1.60.85×1765≈3425N
則可確定液壓缸的直徑D
F實(shí)際=π（D2-d2）4 （2-3）
假設(shè)夾緊缸直徑為D，活塞直徑?。篸=0.5D,壓力油工作壓力為P=2.5×10MPa，則有：
D=4F實(shí)際πP(1-0.52)=4×34353.14×2.5×106×0.75=0.048mm
根據(jù)GB/T2348-93液壓缸的內(nèi)徑尺寸系列確定：D=50mm，活塞桿直徑?。?
d=0.5D=25mm，行程為25mm；
由上述條件取液壓缸活塞桿直徑d=25mm，且活塞桿的長度比較短，則不用校核其強(qiáng)度。
缸壁厚度δ的計(jì)算
對(duì)低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度要按薄壁筒來計(jì)算
δ≥PPD2σ (2-4)
(2-4)式中δ為液壓缸缸筒的厚度（mm）；PP為實(shí)驗(yàn)壓力（MPa），當(dāng)工作壓力P≤16MPa時(shí)，PP=1.5P,當(dāng)工作壓力P≥16MPa時(shí)，PP=1.25P,這次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的壓力為2.5MPa，所以PP=1.5×2.5=3.75 MPa；
σ為缸體材料許用應(yīng)力（MPa）；
σb為缸體的材料抗拉強(qiáng)度（MPa）；
對(duì)鍛鋼σ=100~120 MPa，鑄鋼σ=100~110 MPa，鋼管σ=100~110 MPa，鑄鐵σ=60 MPa，σ采用鑄鐵材料，σ=60 MPa。
因?yàn)棣?σbn，n為安全系數(shù)，n=3.5~5，一般情況下取n=5，所以有：
δ=3.75×50/2×60=1.56mm
因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要，取δ=10mm。
液壓缸外徑D0及其長度L的確定
D0=D+2δ=50+2×10=70mm
因?yàn)長≤（20~30）D0，所以滿足結(jié)構(gòu)需要取L=60mm。
確定液壓缸活塞的行程S
按照GB/T2349-1980標(biāo)準(zhǔn)系列來確定液壓缸活塞的行程為40mm。
（2）運(yùn)動(dòng)范圍及速度
伸縮運(yùn)動(dòng)：Vmax=500mm/s
Vmin=50mm/s
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：Wmax=90°/s
Wmin=30°/s
上升運(yùn)動(dòng)：Vmax=500mm/s
Vmin=40mm/s
下降運(yùn)動(dòng)：Vmax=800mm/s
Vmin=80mm/s
則取手部驅(qū)動(dòng)活塞的速度為V=60mm/s。
（3）手部右腔流量
Q=SV=60πR2=60×3.14×252=117.5mm3/s （2-5）
(4)手部的工作壓強(qiáng)
p=F實(shí)際S=3424.133.14×502=1.78 MPa （2-6）
2.2 腕部的設(shè)計(jì)及其計(jì)算
根據(jù)設(shè)計(jì)要求：角速度為W=45°/s，回轉(zhuǎn)范圍為±90°。用最大負(fù)荷計(jì)算：在工件處在水平位置時(shí)，回轉(zhuǎn)缸工件扭矩最大，用估算法，工件重量為10kg，長度為650mm，如下圖2-3所示。
2.2.1腕部扭矩的計(jì)算
圖2-2 腕部的受力簡圖
設(shè)工件受力集中在距離手指中心200mm處，則扭矩M1為：
M1=FS=10×9.8×0.2=19.6N?M （2-7）
2.2.2 油缸（伸縮）以及配件估算扭矩
F=5kg，s=100mm
將其帶入2-7式中得： M2=FS=5×9.8×0.1=4.9 N?M
（1）回轉(zhuǎn)缸的摩擦力矩M摩
F摩=30N（估計(jì)值）
S=20mm
M摩=F摩S=30×0.2=6 N?M
（2）回轉(zhuǎn)缸的總摩擦力
M=M1+M2+M摩=30.5 N?M （2-8）
2.2.3腕部回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸計(jì)算
（1）液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算
由于回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩M和回轉(zhuǎn)缸的壓力P關(guān)系為：
M=Pb（R2-r2）/2 （2-9）
2-9中：M為回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動(dòng)力矩；
P為回轉(zhuǎn)缸的工作壓力；
R為缸體內(nèi)壁的半徑；
r為輸出軸半徑；
b為動(dòng)片寬度；
力矩M和壓力P的關(guān)系式是對(duì)應(yīng)和壓力腔的背壓為零時(shí)的情況而言的，若是低腔有一定的背壓，則P為工作壓力和M的關(guān)系推導(dǎo)可得缸體的內(nèi)壁半徑為：
R=2MPb+r2=2×305002.5×25+152=34.8mm
軸的半徑r是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定為15mm，查表按照標(biāo)準(zhǔn)系列圓整，取R=50mm，則回轉(zhuǎn)液壓缸的內(nèi)徑為100mm，所以即可確定回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程。
由方案設(shè)計(jì)得知，腕部的回轉(zhuǎn)行程為0~180°。
（2）液壓缸壁厚δ計(jì)算
對(duì)于低壓系統(tǒng)情況，液壓缸缸筒厚度一般則按照薄壁筒來計(jì)算：
δ≥PPD/2σ (2-10)
2-10中：δ為液壓缸缸筒的厚度（mm）； PP為試驗(yàn)壓力(MPa),工作壓力P≤16MPa時(shí)，Pa=1.5P；工作壓力P≥16MPa時(shí)，PP=1.25P，因?yàn)檫@次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的壓力為2.5MPa，所以PP=1.5×2.5=3.75MPa；
D為液壓缸的內(nèi)徑（mm）；σ為缸體材料的許用應(yīng)力（MPa）；
又因?yàn)橛校?
σ=σb/n （2-11）
其中n為安全系數(shù)，n一般為3.5~5，一般取n=5。
對(duì)于鍛鋼來說σ=100~120 MPa；而鑄鋼σ=100~110 MPa;鋼管σ=100~110 MPa，鑄鐵σ=60 MPa。本設(shè)計(jì)選擇鑄鐵材料σ=60 MPa。
將所算得數(shù)據(jù)代入公式2-10可得：δ≥3.75×100/2×60，計(jì)算得δ≥3.125；
滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要取δ=17.5mm。
液壓缸的外徑D0和寬度b的計(jì)算：D0=D+2δ=100+2×17.5=135mm；
b≤（20~30）D0，滿足結(jié)構(gòu)需要取b=30mm。
(3)腕部回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程確定
方案設(shè)計(jì)腕部回轉(zhuǎn)行程0~180°，現(xiàn)確定b為葉片厚度取b=30mm，?AL為擺動(dòng)缸內(nèi)徑，取?AL=100mm，?mm為轉(zhuǎn)軸直徑，取?mm=30mm，P為回轉(zhuǎn)缸工作壓力。
由于驅(qū)動(dòng)力矩M和壓力P關(guān)系式為對(duì)應(yīng)和壓力腔為零的時(shí)候的情況而言，當(dāng)?shù)蛪呵挥幸欢ū硥簳r(shí)，P為工作壓力和背壓的差值。
由公式：
M=P×b?AL2-?mm2×1068 （2-12）
所以工作壓力： P=8Mb*?AL2-?mm2×106=0.89 MPa
又因?yàn)椋?
W=8Q?AL2-?mm2b （2-13）
所以
Q=W?AL2-?mm2b8=27ml/s
上式中Q為流量，W為回轉(zhuǎn)缸的角速度。
2.3手臂伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
2.3.1液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
1）活塞驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
方案設(shè)計(jì)為手臂伸縮速度200m/s，行程l=500mm。
F=F慣+F摩 （2-14）
上式中F慣為啟動(dòng)或者制動(dòng)時(shí)活塞桿受到的平均慣性力。F摩為手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。
摩擦力的計(jì)算
F摩 =μmg （2-15）
上式2-14中μ為摩擦系數(shù)（鋼對(duì)鑄鐵：取μ=0.18~0.3，現(xiàn)取μ=0.3）.m為手臂伸縮部件的總質(zhì)量，包括工件質(zhì)量，m=10+20=30kg。所以
F摩 =0.3×30×9.8=88.2N
2）起動(dòng)或者制動(dòng)時(shí)活塞桿受到的平衡慣性力計(jì)算
F慣=W?Vg?t （2-16）
2-15式中W為手臂伸縮部件的總重力，?V為由從靜止加速至常速的變化量（m/s），現(xiàn)取?V=750×10-3m/s，?t為起動(dòng)過程的時(shí)間（s），一般情況取0.01~0.5s，對(duì)于輕載低速運(yùn)動(dòng)的部件取較小值，對(duì)于重載高速的遠(yuǎn)動(dòng)部件則取較大值，現(xiàn)取?t=0.4
所以：
F慣=30×10×750×10-310×0.4=56.25
所以總的驅(qū)動(dòng)力為F= F摩+ F慣=145N
2.3.2液壓缸機(jī)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)
由驅(qū)動(dòng)力計(jì)算液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸
D=4FπPη+d2 （2-17）
2-16中 D為液壓缸的直徑，其中d=0.5D，η為載荷率，取η為0.7~0.85，P為液壓缸的工作壓力，取P=2.5MPa，F(xiàn)為液壓缸的驅(qū)動(dòng)力。所以：
D=16F3πPη =11.5mm
根據(jù)GB/T2348-93，液壓缸活塞桿的外徑尺寸系列確定d=20mm，行程500mm。
2.3.3腔流量的計(jì)算
由公式（2-5）可得：
Q=πD24v=1000ml/s
上式中Q為流量，V為活塞桿的速度，取V=200mm/s。
手臂右腔工作壓力的計(jì)算
由公式2-6可得：
P=FS
上式中F為系統(tǒng)總的驅(qū)動(dòng)力。
則帶入公式（2-12）可得：
P=FS=FπD2=0.26MPa
2.4 液壓元件的選擇
如表2-1為機(jī)械手各機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)表
表2-1機(jī)械手各機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)表
機(jī)構(gòu)名稱
工作速度
工作壓力
工作行程
流量
手部抓緊
60mm/s
1.78MPa
25mm
117.8m/s
腕部回轉(zhuǎn)
45°
0.89MPa
±90°
17m/s
手臂伸縮
200mm
500mm
500m
1000m/s
2.4.1液壓泵的選擇
實(shí)驗(yàn)所需的液壓最高的壓力為：P=1.78PMa。
所需的液壓最大的流量為：Q=1000ml/s。
則選擇CB-D型液壓泵，該泵的工作壓力為10MPa，工作流量Q為32~70ml/s，轉(zhuǎn)速為1800r/min，所以該泵可以滿足需要。
2.4.2液壓缸的工作壓力及其流量的計(jì)算
查文獻(xiàn)有：
M,=Pb?Al2-?mm2ηm*106/8 （2-18）
W,=8θηv（?Al2-?mm2）b （2-19）
上式中ηm為機(jī)械效率，一般為0.85~0.9，取ηm=0.85；ηv為容積效率，一般為0.7~0.95，取ηv=0.9.
代入公式2-18可得：
M,=25.8 N?M
M,
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