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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)設(shè)計(jì)題目 棒料抓裝機(jī)械手的設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)教師 院系名稱 1目 錄中文摘要 3英文摘要 4第一章 緒 論 .51.1 工業(yè)機(jī)械手 .51.1.1 工業(yè)機(jī)械手概述 51.1.2 選題背景 61.1.3 設(shè)計(jì)目的 61.2 機(jī)械手的組成和分類 .71.2.1 機(jī)械手的組成 .71.2.2 機(jī)械手的分類 .101.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r .121.4 課題的主要要求 .13第二章 手部結(jié)構(gòu) 142.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .142.1.1 概述 .142.2 手部計(jì)算 162.2.1 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 162.2.2 夾緊缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 .182.3 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 .18第三章 腕部結(jié)構(gòu) 193.1 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 193.1.1 概述 .193.1.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式 203.2 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 20第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 224.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 .224.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 .234.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 234.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 234.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 .234.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 234.3.2 手臂慣性力的計(jì)算 254.3.3 密封裝置的摩擦阻力 254.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 .26第五章 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 2925.1 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) .295.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .305.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 .335.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算 335.3.2 升降不自鎖條件分析計(jì)算 345.3.3 手臂做升降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 345.3.4 油缸結(jié)構(gòu)尺寸的確定 35第六章 液壓系統(tǒng) 376.1 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 376.1.1 液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 .376.1.2 液壓系統(tǒng)的組成 .376.2 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路 376.2.1 壓力控制回路 376.2.2 速度控制回路 386.2.3 方向控制回路 .386.3 機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng) .396.3.1 上料機(jī)械手的動(dòng)作順序 .396.3.2 自動(dòng)上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理介紹 .396.4 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算 416.4.1 雙作用單桿活塞油缸 426.4.2 油泵的選擇 .456.4.3 確定油泵電動(dòng)機(jī)功率 N46第七章 PLC 控制回路的設(shè)計(jì) .477.1 電磁鐵動(dòng)作順序 477.2 根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作順序表 .487.3 PLC 與現(xiàn)場(chǎng)器件的實(shí)際連接圖 .497.4 梯形圖 .507.5 指令程序 52結(jié) 論 56致 謝 57參考文獻(xiàn)： 583棒料抓裝機(jī)械手的設(shè)計(jì)摘 要：當(dāng)今社會(huì)信息化、科技化時(shí)代到來(lái)，機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，可以通過(guò)編程控制及檢測(cè)反饋技術(shù)的成熟實(shí)現(xiàn)無(wú)人化操作，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替人工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長(zhǎng)和機(jī)器特長(zhǎng)的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說(shuō)它也是機(jī)器的進(jìn)化過(guò)程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)各，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備.機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。機(jī)械手的發(fā)展可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn);尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。關(guān)鍵詞：減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率、適應(yīng)惡劣環(huán)境、自動(dòng)化、產(chǎn)品質(zhì)量高。4THE DESIGN OF MANIPULATOR FOR THE CLAVATE MATERAL GRABBED THE DEVICEAbstract: With the development of information and science 尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進(jìn)行正常的工作，意義更為重大。因此，在機(jī)械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)等方面得到越來(lái)越廣泛的引用.機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)，僅為某臺(tái)機(jī)床的上下料裝置，是附屬于該機(jī)床的專用機(jī)械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械6手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。1.1.2 選題背景機(jī)械手是在自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中使用的一種具有抓取和移動(dòng)工件功能的自動(dòng)化裝置，它是在機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的一種新型裝置。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與機(jī)械化和自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。機(jī)械手能代替人類完成危險(xiǎn)、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)力。機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前，機(jī)械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個(gè)重要組成部分。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。1.1.3 設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)夜大 2.5 年的所學(xué)知識(shí)進(jìn)行整合，完成一個(gè)通用形式的普通圓棒料搬運(yùn)的機(jī)械手的設(shè)計(jì)，能夠比較好地體現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實(shí)踐動(dòng)手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強(qiáng)的針對(duì)性和明確的實(shí)施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合。7目前，在國(guó)內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)中圓棒料的搬運(yùn)擺放仍由人工完成，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,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn),針對(duì)具體生產(chǎn)工藝,利用機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)用一臺(tái)裝卸機(jī)械手代替人工工作，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手也越來(lái)越多的地被應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機(jī)械加工、裝配、檢驗(yàn)、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實(shí)理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：一、以提高生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化程度應(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。二、以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故在高溫、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(jiǎn)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。三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)應(yīng)用機(jī)械手代替人進(jìn)行工作，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)由于應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個(gè)側(cè)面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床的綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都沒有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進(jìn)行工作生產(chǎn)。綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)。本機(jī)械手主要與多工位沖床組合最終形成生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程（上料、加工、下料）的自動(dòng)化、無(wú)人化。目前，我國(guó)的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來(lái)越多的資金流向制造業(yè)，越來(lái)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，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。81.2 機(jī)械手的組成和分類1.2.1 機(jī)械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖2-1所示。圖2-1機(jī)械手組成方框圖(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的 :手指有外夾式和內(nèi)撐式 ;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則9通過(guò)手指產(chǎn)生夾緊力來(lái)完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多時(shí)常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。圖1-1 機(jī)械手手抓結(jié)構(gòu)2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物件的方位(即姿勢(shì))3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。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)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立I因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。5、行走機(jī)構(gòu)當(dāng)工業(yè)機(jī)械手需要完成較遠(yuǎn)距離的操作，或擴(kuò)大使用范圍時(shí)，可在機(jī)座上安滾輪式行走機(jī)構(gòu)可分裝滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)械手的整機(jī)運(yùn)動(dòng)。滾輪式布為有軌的和無(wú)軌的兩種。驅(qū)動(dòng)滾輪運(yùn)動(dòng)則應(yīng)另外增設(shè)機(jī)械傳動(dòng)裝置。106、機(jī)座機(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，故起支撐和連接的作用。(二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、 氣壓傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)。控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(二)控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)械手按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)械手按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)械手的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。(四)位置檢測(cè)裝置控制機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)位置，并隨時(shí)將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的實(shí)際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設(shè)定的位置進(jìn)行比較，然后通過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，從而使執(zhí)行機(jī)構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。1.2.2 機(jī)械手的分類業(yè)機(jī)械手的種類很多，關(guān)于分類的問(wèn)題，目前在國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。(一)按用途分機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種:1、專用機(jī)械手11它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)械手具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)械手。2、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手。格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)械手的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。(二)按驅(qū)動(dòng)方式分1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手是以液壓的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:抓重可達(dá)幾百公斤以上、傳動(dòng)平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作靈敏。但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響，且不宜在高溫、低溫下工作。若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大，但是電液伺服閥的制造精度高，油液過(guò)濾要求嚴(yán)格，成本高。2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手是以壓縮空氣的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，氣動(dòng)動(dòng)作迅速，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進(jìn)行工作。3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(如凸輪、連桿、齒輪和齒條、間歇機(jī)構(gòu)等)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。4、電力傳動(dòng)機(jī)械手即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)12的械手，因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。此類機(jī)械手目前還不多，但有發(fā)展前途。(三)按控制方式分1、點(diǎn)位控制它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。2、連續(xù)軌跡控制它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。1.3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r國(guó)外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個(gè)趨勢(shì):(1)工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機(jī)價(jià)格不斷下降，平均單機(jī)價(jià)格從91年的10.3萬(wàn)美元降至97年的65萬(wàn)美元。(2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化:由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī);國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。(3)工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu):大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。(4)機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制;多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。(5)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來(lái)操縱機(jī)器人。(6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使13智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。美國(guó)發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實(shí)例。(7)機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國(guó)開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來(lái)，這種新型裝置已成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人;其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如:可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品:機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距;在應(yīng)用規(guī)模上，我國(guó)己安裝的國(guó)產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺(tái)，約占全球已安裝臺(tái)數(shù)的萬(wàn)分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程.我國(guó)的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種:在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國(guó)外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績(jī)的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。1.4 課題的主要要求設(shè)計(jì)通用圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手及控制系統(tǒng)。設(shè)計(jì)中的機(jī)械手各動(dòng)作由液壓缸驅(qū)動(dòng)，并有電磁閥控制，技術(shù)指標(biāo)如下：（1、 ）原始數(shù)據(jù)：14a、 抓重：200Nb、 自由度（四個(gè)自由度）c、 動(dòng)作 符號(hào) 行程范圍 速度伸縮 X 500mm 小于 300mm/s升降 Z 330mm 小于 70mm/s回轉(zhuǎn) φ 0——180o 小于 90o/sd、 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)回轉(zhuǎn) φ 行程范圍 0——180o 速度 小于 90o/se、 手指夾持范圍：棒料，直徑 65——85mm，長(zhǎng)度 450——1200mm f、 定位方式：電位器（或接近開關(guān)等）設(shè)定，點(diǎn)位控制g、 驅(qū)動(dòng)方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）h、 定位精度：±3mm。 i、 控制方式：PLC 1.5 設(shè)計(jì)內(nèi)容及安排a、熟悉任務(wù)，查閱資料b、畫出機(jī)械手裝配圖c、畫出液壓控制原理圖d、根據(jù)控制要求，選擇 PLC 型號(hào)及輸入輸出元件e、畫出 PLC 控制的輸出輸入接線圖f、完成梯形圖和語(yǔ)句表的程序設(shè)計(jì)g、整理設(shè)計(jì)說(shuō)明書，答辯 要求：a、上述工作要求扎扎實(shí)實(shí)完成，絕不能打過(guò)場(chǎng)b、培養(yǎng)獨(dú)立思考的，獨(dú)立動(dòng)手，獨(dú)立查閱資料，嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)、一絲不茍的精神c、培養(yǎng)獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力d、有關(guān)問(wèn)題按照課程設(shè)計(jì)大綱要求進(jìn)行15第二章 手部結(jié)構(gòu)2.1 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1.1 概述手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、 ，它沒有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用連桿杠桿式。2.1.2 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。②手指間應(yīng)有一定的開閉角兩個(gè)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開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位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)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動(dòng)定心。④應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度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(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。16⑤應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。2.2 手部計(jì)算2.2.1 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 1.手指 2.連桿 3.拉桿 4.指座圖 1 連桿杠桿式手部受力分析如圖所示為連桿式手部結(jié)構(gòu)。作用在拉桿上的驅(qū)動(dòng)力 3 為 P，兩連桿 2 對(duì)拉桿反作用力為 P1、P2 ，其力的方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線，指向 O 點(diǎn)并與水平方向成 α 角，由拉桿的力平衡條件可知，即 17∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0P=2P1cosαP1=P/2cosα連桿對(duì)手指的作用力為 p1′，因連桿 2 為 2 力桿。手指握緊工件時(shí)所需的力稱為握力（即夾緊力） ，假想握力作用在過(guò)手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以 N 表示。由手指的力矩平衡條件，即 ∑m01(F)=0 得P1′h=Nb因 h=c cosα 所以 P=2 b tgα N/c式中 b——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（毫米） 。c——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到連桿鉸鏈連接點(diǎn)的距離（毫米）α——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 P 一定時(shí)，握力 N 與 α 角成正切反比。α 角小時(shí)可獲得較大的握力，α=0 的時(shí)候使手指閉合到最小位置即為自鎖位置，這時(shí)去掉驅(qū)動(dòng)力，工件也不會(huì)自行脫落。若拉桿再往下移動(dòng)，則手指反而會(huì)松開，為避免這種情況的發(fā)生，需保持 α 大于零，一般取 α=30°~40°。這里取角 α=30 度。這種手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈活等特點(diǎn)。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表 2-1 可知，V 形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式 N=0.5G，綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。為了考慮工件在傳送過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力 P 實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即：P 實(shí)際 =PK1K2/η式中 η——手部的機(jī)械效率，一般取 0.85~0.95；K1——安全系數(shù)，一般取 1.2~2K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， K2 可近似按下式估計(jì)，K2=1+a/g，其中 a 為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，g 為重力加速度。本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動(dòng)速度為 500 毫米/秒，移動(dòng)加速度為 1000 毫米/秒 ，工件重量 G 為 300 牛頓，V 型鉗口的夾角為 120°,α=30°時(shí)，2拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力 P 和 P 實(shí)際計(jì)算如下：根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式N=0.5G=150（N）18選取 b=50 c=30由連桿杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式P=2btgα N/c 得P=P 計(jì)算=2 ×50×tg（30°）×150／30 ≈288.68（N）P 實(shí)際 =P 計(jì)算 K1K2/η取 η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1則 P 實(shí)際 =288.68×1.5×1.1/0.85≈560.38(N)2.2.2 夾緊缸驅(qū)動(dòng)力計(jì)算夾緊裝置是使手指夾緊工件的動(dòng)力裝置，此外，選用液壓驅(qū)動(dòng)，為單向作用缸，回程用彈簧驅(qū)動(dòng)，手指夾緊工件時(shí)，缸的驅(qū)動(dòng)力為P 推=D 2Pπ／4 其中 D——活塞直徑，選取直徑 28mm 的液壓缸P——驅(qū)動(dòng)流體壓力，選取 P=1MPa計(jì)算可得：P 推=28 2×1×π／4=615.44（N）P 推＞P 實(shí)際 故夾緊缸的選擇滿足題目要求192.3 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析圖 2 帶浮動(dòng)鉗口的鉗爪鉗口與鉗爪的連接點(diǎn) E 為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系 ,若設(shè)鉗爪對(duì)稱中心 O 到工件中心 O′的距離為 x,則x=22)sin/(abRl????當(dāng)工件直徑變化時(shí),x 的變化量即為定位誤差△,設(shè)工件半徑 R 由 Rmax 變化到 Rmin 時(shí),其最大定位誤差為△=∣ - ∣ 22 )sinmax/(abRl????2)sinm/(abl???其中 l=50mm ,b=10mm ,a=45mm ,2 =120° ,Rmin=25mm ,Rmax=35mm代入公式計(jì)算得最大定位誤差△= ∣49.71—49.62∣=0.09＜0.8故符合要求.20第三章 腕部結(jié)構(gòu)3.1 腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1.1 概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計(jì)腕部時(shí)要注意以下幾點(diǎn)：① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。② 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性要好。③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個(gè)自由度的位置檢測(cè)、管線的布置以及潤(rùn)滑、維修、調(diào)整等問(wèn)題 ④ 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過(guò)，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。3.1.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為 180°.如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。213.2 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算驅(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)生的慣性力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，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)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算：M 驅(qū)=M 慣+M 偏+M 摩 +M 封 （N·m）式中 M 驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩M 慣——慣性力矩 （N·m） M 偏——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N ·m） M 摩——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 （N·m ） M 封——腕部回轉(zhuǎn)缸的東片與定片、缸內(nèi)壁、端蓋、等處密封裝置的摩擦阻力距（N·m）工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏M 偏 =G1 e （N.m） 式中 G1——工件重量（N）22e——偏心距（即工件重心到碗回轉(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)，M 偏為零當(dāng) e=0.020，G1=300N 時(shí)M 偏 =6（N·m） ⑶ 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩 M 慣 ① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度 時(shí)，可用下式計(jì)算 M 慣?M 慣 =（J+J 工件） （N·m） t式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）?T——手腕啟動(dòng)過(guò)程中所用時(shí)間（ s） ， （假定啟動(dòng)過(guò)程中近為加速運(yùn)動(dòng)）J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kg·m ）2J 工件——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kg·m ） 按已知計(jì)算得 J=2.5，J 工件 =6.25， =0.3m/ m ,t=2?2故 M 慣 = 1.3（N·m） ② 當(dāng)知道啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 時(shí)，也可以用下面的公式計(jì)算 M 慣：?M 慣=（J+J 工件） （N·m） 2式中 ——啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（rad）;?——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） 。?考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取M =1.1∽1.2 （M 慣+M 偏+M 摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m） 第四章 臂部的結(jié)構(gòu)手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具） ，并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括 3 個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位） ，則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。因此，一般來(lái)說(shuō)臂部應(yīng)該具備 3 個(gè)自由度才23能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 4.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕（1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。（2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。（5） 提高配合精度。二、 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在 ,最大回轉(zhuǎn)角速105ms:度設(shè)計(jì)在 內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為 ，平均回轉(zhuǎn)角速度在 。018s s09s在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有 3 個(gè)途徑：（1） 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料。（2） 減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸。（3） 減少回轉(zhuǎn)半徑 ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮） ，?盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作。（4） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。三、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象） 。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。244.2 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇4.2.1 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：（1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。（2） 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。（3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。（4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。4.2.2 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇通過(guò)以上，綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動(dòng),液壓缸選取雙作用液壓缸。4.3 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性、密封等幾個(gè)方面的阻力，來(lái)確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。PP??回摩 密 慣----摩擦阻力(N)。臂部運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)件表面間的摩擦力，如導(dǎo)向裝置、摩活塞和缸壁等處的阻力。----密封裝置處的摩擦阻力 (N)。P密----油缸回油腔低壓油造成的阻力 (N)，一般背壓阻力較小，可取回=0.05P。回----臂部起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)活塞桿上受到的平均慣性力(N)。P慣254.3.1 手臂摩擦力的分析與計(jì)算分析：摩擦力的計(jì)算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。下圖是機(jī)械手的手臂示意圖。圖 4.1 機(jī)械手臂部受力示意計(jì)算如下：不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀， 是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算，P摩本案為圓柱面雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在油缸兩側(cè)的水平伸縮缸，起動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力較大，由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 0AM??bGLaP總得 b?總0YbaGP??總得 aL??????總26''ababPP???摩 摩摩'2LG???????總摩式中 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件） （N） ；G總 —L——手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（m）a——導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（m）;——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。'?對(duì)于圓柱面： ??'41.27.5????????????::——摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無(wú)潤(rùn)滑時(shí)：?鋼對(duì)青銅：取 0.15鋼對(duì)鑄鐵：取 8.3計(jì)算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 '0.215.3???估算： ，L=0.5m,導(dǎo)向支撐 a 設(shè)計(jì)為 0.08m250GN?總將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 ' 20.58.3102.5LP Na????????????????總摩4.3.2 手臂慣性力的計(jì)算本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是 V=0.3m/s,在計(jì)算慣性力的時(shí)候,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間 ，0.5ts??啟動(dòng)速度 V=V=0.3m/s,?GvPgt?總慣 t總慣 250.3/15.9.8NmsNKgS??4.3.3 密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用 O 型密封，當(dāng)液壓缸工作壓力小于 10Mpa，活塞桿直徑為油缸直徑的一半，活塞與活塞桿處都采用 O 形圈密封27時(shí)，液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： (因手部軸線與臂部伸縮軸0.3F?封線垂直，手部油管不會(huì)經(jīng)過(guò)臂部，故油管密封不考慮)。經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力： 0.3+0.5P=17.2NP??摩 慣4.4 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力 P=1117.2N，根據(jù)表 3.2 選擇液壓缸的工作壓力 P=1MPa（1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖 5.2 所示圖 4.2 雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔， 214DPp???當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中， ??221 149dP????液壓缸的有效面積： 1PFp?故有 （無(wú)桿腔） 114.3Dp???28（有桿腔） 192PDp???式中 P----活塞的驅(qū)動(dòng)力(N)P1----油缸的工作壓力(MPa)d----活塞桿直徑(mm),本案初設(shè) d=D/3D----油缸內(nèi)徑(mm)η----油缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取 η=0.96據(jù)上述計(jì)算，P=1076.4N P1=1MPa，按有桿腔進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果必然滿足無(wú)桿腔的力學(xué)要求。將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：1917.2340.8296PDmp?????根據(jù)表 3-2 油缸內(nèi)徑系列（GB/T2348-93） ，選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑， D=50mm.活塞桿直徑 d=50/3=16.67mm，圓整為 d=18mm。（2） 液壓缸外徑的設(shè)計(jì)本案液壓缸考慮鑄造結(jié)構(gòu)，考慮到鑄造的最小壁厚要求，故最小不小于 3mm，而驅(qū)動(dòng)壓力又較低，故厚度不超過(guò) 10mm。按中等壁厚進(jìn)行計(jì)算(16D/δ3.2)：??(2.3)PDC??????計(jì) 計(jì)式中 ----強(qiáng)度系數(shù)(當(dāng)為無(wú)縫鋼管時(shí)取值為 1，本案為鑄造式，取值 0.7)C----計(jì)入管壁公差及侵蝕的附加厚度----油缸材料的許用應(yīng)力(MPa)； ，其中 為油缸材料的?? ??bn??b抗拉強(qiáng)度，n 為安全系數(shù)，一般 n=3～5一般常用缸體材料的許用應(yīng)力 為：鍛鋼 =110～120MPa???鑄鋼 =60MPa無(wú)縫管 =100～110MPa代入數(shù)據(jù)：??1.3502.7(2.3)(26).PDCm???????????計(jì) 計(jì)圓整為 3mm，即缸體外徑 56mm。（3） 活塞桿的計(jì)算校核29①?gòu)?qiáng)度校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。對(duì)于桿長(zhǎng) L 大于直徑 d 的 15 倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算：??24P????設(shè)計(jì)中活塞桿取材料為碳剛，故 ，活塞直徑?102Mpa?:d=18mm,L=1000mm,現(xiàn)在進(jìn)行校核。 221076.438PPd?????結(jié)論： 活塞桿的強(qiáng)度足夠。②穩(wěn)定性校核本案 L15d，應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。穩(wěn)定性條件可表示為;kPn?式中 ----臨界力(N)k----安全系數(shù)，一般取 2～4kn本案中， ，故按大柔度桿計(jì)算10.51.0584li???????222209471.kEPFN???式中 ----活塞桿計(jì)算柔度?----活塞桿長(zhǎng)度(mm)，本案取值 1000mml----活塞桿橫截面的慣性半徑，取值為 d/4iF----活塞桿截面積E----彈性模量(MPa) E=210000----長(zhǎng)度折算系數(shù)，本案取值 0.5?----特定柔度值，本案取 1051?將 值代入：kP42701681076.4kNPn??:故穩(wěn)定性符合要求。