XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計1第 1 章 概述機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡、和要求實現(xiàn)自動抓取，搬運或操作動作的自動化機械裝置。在工業(yè)中應(yīng)用的機械手稱為“工業(yè)機械手” 。工業(yè)機械手由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)又可分為抓取，送放和機身三部分，如圖 1.1 所示1-執(zhí)行系統(tǒng) 2-控制系統(tǒng) 3-驅(qū)動系統(tǒng)a-手爪 b-手腕 c-手臂 d-機身 e-行走裝置圖 1.1 機械手的組成1.1 執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是直接握持物件實現(xiàn)所需的各種運動的機械部分，它包括以下機構(gòu)（1）抓取機構(gòu) 抓取機構(gòu)又稱手部或手爪，是機械手直接與被抓取物件接觸并施加約束和加緊力的部分。（2）送放機構(gòu) 送放機構(gòu)是執(zhí)行系統(tǒng)中將被抓取物件送放到目的地的機械部分。它主要由手臂、手腕、行走裝置等部分組成。手臂是用來支撐腕部和手部并改變被送放物件的空間位置的。它是機械手的主要運動部件。手腕主要是用來調(diào)整和改變被送放物件的方位，并連接手臂和手指。行走裝置的主要作用是擴大機械手的送放范圍，以適應(yīng)遠距離操作的需要。（3）機身 機身是機械手中用來支撐送放機構(gòu)的部件，也是安裝驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件。1.2 驅(qū)動系統(tǒng)XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計2機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是為執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等多種形式。液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由油泵，油缸，油壓閥機管路組成。1.3 控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的功用是通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，并檢測其工作位置正確與否。它主要包括程序控制和位置檢測等部分.程序控制裝置指揮機械手按規(guī)定的程序進行運動,并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序,運動軌跡,運動速度,運動時間等),同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令,必要時它還可對機械手的動作進行監(jiān)視,當動作有錯誤或發(fā)生故障時,即發(fā)出報警信號.信息檢測裝置主要用來控制機械手執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置,并隨時竟執(zhí)行系統(tǒng)的實際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進行比較,然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整,從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達到設(shè)定位置.XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計3第 2 章 方案設(shè)計及主要參數(shù)的確定2.1 方案設(shè)計根據(jù)課題要求，機械手需要具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作，因此可采用以下多種設(shè)計方案。（1）直角坐標系式，自動線成直線布置，機械手空中行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，這使設(shè)計復(fù)雜程度增加，運動質(zhì)量增大。（2）機身采用立柱式，機械手側(cè)面行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能，自動線仍呈直線布置。這種方案可以集中設(shè)計液壓站，易于實現(xiàn)電氣、油路定點連接，但占地面積大，手臂懸伸量較大。（3）機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工件等優(yōu)點，但配線要求較高。本設(shè)計擬采用第三種方案，如圖（1）所示。這是一種球坐標式機械手，具有立柱旋轉(zhuǎn)⌒z、手臂伸縮→x、手臂俯仰⌒y、腕部轉(zhuǎn)動⌒x 和腕部擺動⌒y 五個自由度。XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計4圖 2.1 球坐標式機械手2.2 主要參數(shù)的確定（1）抓取重量 15kg（2）坐標形式和自由度 坐標形式為球坐標式，有五個自由度。（3）工作行程工作行程由已知條件及方案分析確定：最大工作半徑 1500mm；手臂最大中心高 1000mm；手臂水平中心高 700mm；手臂伸縮行程 450mm；手臂回轉(zhuǎn)范圍：φ=0～270○；手腕回轉(zhuǎn)范圍：翻轉(zhuǎn) θ=0～180○；腕部擺動范圍：轉(zhuǎn)位 α=0～90○；手臂上下擺動角度：β=0～60○。（4）運動速度直線運動速度：手臂伸縮行程 l=450mm，運動時間 t=2s，則手臂伸縮速度為：v= =0.45/2=0.225m/s；tl回轉(zhuǎn)運動速度：定為 60○/s。（5）驅(qū)動方式驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動的方式。由于機械手操作時各缸不同時工作，手臂伸縮缸和手臂回轉(zhuǎn)缸所需的流量大，其余各缸所需的流量均較小，因此可選用雙聯(lián)葉片泵。在小流量時，只需高壓小流量供油，大流量低壓泵卸荷；在大流量時，兩泵同時供，這樣可以減少系統(tǒng)功率損失，防止油溫升高。（6）定位精度定位采用機械擋塊定位，定位精度為 0.5～1mm。（7）控制方式采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計5第 3 章 抓取機構(gòu)的設(shè)計3．1 抓取機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的確定抓取機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要決定于工件的形狀和質(zhì)量，本課題的抓取工件為250×170×140mm 的箱式零件，因此采用平行連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)較為合適。夾緊裝置為常開式，當夾緊液壓缸通油時，推動活塞帶動杠桿機構(gòu)合攏將工件夾緊。當夾緊液壓缸斷油時，活塞桿通過彈簧復(fù)位，手爪張開。3．2 夾緊力（握力）的確定當用不同的手部機構(gòu)夾緊同一種工件時，由于各手部機構(gòu)的增力倍數(shù)不同，所需拉緊油缸的驅(qū)動力也不同。當手部機構(gòu)選定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置） ，鉗爪的受力狀態(tài)不一樣，因而所需拉緊油缸的驅(qū)動力也不一樣。下圖（2）為兩鉗爪式手部機構(gòu)，由于驅(qū)動力 P 使一對平行鉗口對被夾持的工件產(chǎn)生兩個作用力 N，當忽略工件重量時（即相當于夾緊一塊握力表） ，這兩個力大小相等，力 N 稱為由驅(qū)動力 P 產(chǎn)生的夾緊力。圖 3.1 夾緊力現(xiàn)引入一個稱為“當量夾緊力”的概念，所謂當量夾緊力，就是指把重量為 G的工件，按某一方位夾緊可以求得其拉緊油缸具有的最小驅(qū)動力，這個最小驅(qū)動力所能產(chǎn)生的夾緊力，就稱為工件在這個方位的當量夾緊力。當量夾緊力的數(shù)值與具體的手部機構(gòu)方案無關(guān)。只與工件的重量 G 和它相對與鉗爪的放置方位有關(guān)。證明如下：（1）首先求驅(qū)動力 P 與夾緊力 N 的關(guān)系。當驅(qū)動力推動活塞桿移動一小段距離dy 時，兩個鉗爪都相應(yīng)產(chǎn)生一微小轉(zhuǎn)角 dθ，依據(jù)虛功原理，驅(qū)動力 P 所做功（Pdy）和夾緊力 N 所做功應(yīng)相等，即?bddy??XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計6N= ?bdPy2（3.1）（2）當量夾緊力與工件重量之關(guān)系。當鉗爪水平夾緊重為 G 的工件時，根據(jù)工件的平衡條件∑F=0 可得R1=R2+G可以看出，上下鉗爪對工件的夾緊力并不相等，且隨驅(qū)動力的增大而增大，但R1 和 R2 的差值永遠為工件之重量 G，如 R2=0，R1=G，驅(qū)動力最小。這個最小驅(qū)動力可以由下述方法求出： ?bdRdyP21'??將 R1=G，R2=0 代入上式得dyGP?'（3.2）由 所產(chǎn)生的夾緊力 ，即當量夾緊力。將（2.2）式代入（2.1）式得'P'N212'' dybdybp????（3.3）從計算結(jié)果可以看出，當量夾緊力 與具體的手部結(jié)構(gòu)方案無關(guān)。不同的手部'N機構(gòu)的增力倍數(shù)特性 不一樣，而當量夾緊力與 無關(guān)，只與工件的重量和它相dy?dy對于鉗爪的放置方位無關(guān)。由課題要求可知，本機械手水平夾持懸伸工件，示意如圖 3.2圖 3.2 握力示意圖查表得進行握力計算：XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計7N= （3.4）GHL???????213式中 N——夾持工件時所需的握力；G——工件的重量，G=15kg=150N；L、H——尺寸，L=50mm，H=80mm。將上述數(shù)值代入得N= N25.36102853????????? 考慮到工件在傳送過程中還會產(chǎn)生慣性力、振動以及受到傳力機構(gòu)效率等的影響，故而實際握力還應(yīng)按以下計算：N 實 ≥ ?21KN?（3.5）式中，η——手部的機械效率，一般 η=0.85～0.95；k1——安全系數(shù)，一般取 k1=1.2～2；k2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按下式估算：k2=1+α/g，其中，α 為被抓取工件傳送過程中的最大加速度，g 為重力加速度。若取 η=0.9；k1=1.5；k2 按 α= g/2 計算，k2=1+α/g=1.5，則N 實 ≥ =356.25×1.5×1.5/0.9≈890N?21K?3.3 夾緊缸驅(qū)動力的計算抓取機構(gòu)產(chǎn)生的握力是通過驅(qū)動裝置產(chǎn)生的驅(qū)動力經(jīng)傳動機構(gòu)傳遞而得到的。如圖 3.3 所示為夾緊缸受力分析簡圖，圖中 P 為驅(qū)動力，N 實為握力。由圖 3.4 和圖3.5 的受力分析可得P=2Rsinα （3.6）Rh=LCD R|因為 h=l BCcosδ=l BCcos(180○ -β-γ+α)= lBCcos(β+γ-α) （長度取正值）R|= N 實 cosβXX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計8所以 P=2Rsinα= 實NlBCD???)cos(in2???由結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定 α=10 ○ ，γ=120 ○ ，β=50 ○ ，l CD=130mm，l BC=36mm，代入上式得（長度取正直）N763890936.042172???圖 3.3 夾緊缸受力分析簡圖P實δ βγ圖 3.4 圖 3.5XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計93.4 夾鉗式抓取機構(gòu)的定位誤差分析圖 3.6 所示的為一支點回轉(zhuǎn)型手指的示意圖。圖示情況為分別夾持兩種不同直徑的工件時的情況。其中， 為手指長度，即手指的回轉(zhuǎn)中心 A 到 V 形槽頂點 B 之ABl間的距離； 為 V 形槽的夾角； 為偏轉(zhuǎn)角，即 V 形槽的角平分線 BC 與手指 AB 間?2?的夾角；R 為工件的半徑。圖 3.6工件的中心 C 與手指的回轉(zhuǎn)中心 A 之間的距離 x 可由下式求得： ????cosin2sincos222 ?????????????????? RlRlllx ABBBCABA將上式整理后得????222 sicosisin1ABABllx?或 ????1sincsin22 ???ABABlRlx此式為雙曲線方程，其曲線如圖 3.7 所示。圖中曲線表示了 X 隨 R 變化的關(guān)系，而且 X 的變化是以 R0 為分界線左右對稱的。當工件的半徑由 Rmax 變化到 Rmin 時，X 的最大變化量即為定位誤差 ，其值為?XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計10?????? cosinm2sincosinmax2sinax22 ??????????????????????????????? RlRlRlRl ABABABAB圖 3.7在設(shè)計手指時，只要給定手指的長度 ，選取合適的偏轉(zhuǎn)角 β，即可根據(jù)工件ABl的最大直徑 Rmax 和最小直徑 Rmin 確定定位誤差。為了減少定位誤差，可加大手指的長度，會使結(jié)構(gòu)增大，重量增加。另外，選擇最佳的偏轉(zhuǎn)角 β，也可使定位誤差最小。當 R 等于平均半徑 Rm 時，定位誤差最小，此時??????????2minaxRelRlRl lll ABABAB ???sincosin2sin iiaximi22 ?????????????????式中， ——最佳偏轉(zhuǎn)角。e?3．5 夾緊液壓缸主要尺寸的確定3.5.1 液壓缸內(nèi)徑 D 的計算由單桿活塞式液壓缸的推力公式：（3.7）1pAF?式中， ——液壓缸的推力(N)； 1Fp——系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5Mpa=2.5N/mm 2；XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計11——活塞的作用面積（mm 2）1A=1A24D?D——活塞直徑（mm） 。推導(dǎo)得出：D=1.13 （3.8）mpF?1式中， ——驅(qū)動力，即液壓缸的實際工作載荷（N） ；1Fp——系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5Mpa=2.5N/mm 2；ηm——機械效率，一般取 ηm=0.95；D——液壓缸內(nèi)徑（mm） 。將上述數(shù)值代入得D=1.13 m25.09.52763??按 GB/T2348-1993 標準系列直徑圓整，取 D=32mm。3.5.2 活塞桿直徑 d 的計算根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿直徑 d（3.9）?1??D式中 ，d——活塞桿直徑（mm） ；D——液壓缸直徑（mm） ；——速度比：?212dDv???——活塞桿的縮入速度（mm/min） ；2v——活塞桿的伸出速度（mm/min） 。1液壓缸的往復(fù)運動速度比，與系統(tǒng)工作壓力的關(guān)系如下 表 3.1工作壓力 p/MPa ≤10 12.5～20 ＞20速度比 φ 1.33 1.46；2 2由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)工作壓力為 2.5MPa，故選用速度比 φ 為 1.33。XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計12不同速度比時活塞桿直徑 d 和液壓缸內(nèi)徑 D 的關(guān)系如下 表 3.2：φ 1.15 1.25 1.33 1.46 2d 0.36D 0.45D 0.5D 0.56D 0.71D按 GB/T2348-1993 標準系列直徑圓整，取 d=14mm。3.5.3 液壓缸壁厚 δ 的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算：（3.10）????2Dp?式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm） ；——試驗壓力（MPa） ，工作壓力 p≤16MPa 時， =1.5p；工作壓力p pp≥16MPa 時， =1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為 2.5MPa，故=1.5×2.5=3.75Mpa；pD——液壓缸內(nèi)徑（mm） ；——缸材料體的許用應(yīng)力（MPa）：?????nb??——缸體材料的抗拉強度（MPa） ；bn——安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取 n=5。對于：鍛鋼 =100～120 MPa???鑄鋼 =100～110 MPa鋼管 =100～110 MPa鑄鐵 =60 MPa??現(xiàn) 選用鑄鐵材料， =60Mpa。??將以知數(shù)據(jù)代入上式得 m1602375.???因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取 =10mm。3.5.4 液壓缸外徑 D0及長度 l 的計算 52=10+3 2=0?L≤（20～30）D0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取 l=60mm。3.5.5 液壓缸行程 S 的確定XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計13根據(jù)課題要求以及機構(gòu)的運動要求按 GB/T2349-1980 標準系列確定液壓缸活塞行程為 450mm。第 4 章 送放機構(gòu)的設(shè)計4.1 概述（1）送放運動改變被抓取物體的位置和方向，并將其送放到一定的目的位置上，這一運動過程稱為送放運動。送放運動是機械手或機器人或機器人最主要的運動，包括手臂、手腕和行走裝置的運動，但不包括機械手或機器人手爪抓取物體的動作。因此，抓取動作只具有抓取功能，不能改變被抓取物的位置和方向，因而不是送放運動。送放運動又可分為主運動和輔運動兩部分，手臂的運動為主運動，手腕的運動和整機的行走運動為輔運動。主運動決定送放運動的空間范圍的形狀和性質(zhì)，輔運動可擴大送放運動或改變被送放物體在空間的方位。（2）送放范圍機械手或機器人將被抓取的物體送放到某一位置，其所能達到的空間范圍稱為機械手或機器人的送放范圍。當送放位置為一點時，稱為點位送放；當送放位置在一個確定的表面內(nèi)（如矩形面、扇形面、圓柱面）時，這樣的送放范圍稱為面位送放；當送法的位置在一個確定的空間體內(nèi)（如長方體、圓柱體、球體、多球體）時，這樣的送放范圍稱為體位送放。點位送放、面位送放、體位送放均由主運動的運動形式、自由度及其組合來決定。（3）送放圖形送放范圍可用送放圖形（送放運動的軌跡或空間的形狀及大?。﹣砻枋?。點位送放的送放位置為確定的點，其主運動只有一個自由度。其運動形式為直線運動時，送放圖形為一直線；為回轉(zhuǎn)運動時，送放圖形為一圓??；為復(fù)合運動，送放圖形為一空間曲線。面位送放，其送放圖形為一確定的表面，由兩個參變量決定，故主運動需要兩個自由度。其送放圖形為三種不同的情況：兩個直線運動組合，送放圖形為一矩形面；兩個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一圓弧面；一個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一扇形面（如手臂伸縮和手臂回轉(zhuǎn)組合）或圓柱面（如手臂升降和手臂回轉(zhuǎn)組合。體位送放，其送放圖形為一個確定的空間體，故主運動有三個自由度。其送放XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計14圖形也有幾種不同的情況：三個直線運動組合時，送放圖形為一空間立方體；兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一空間圓柱體；兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動組合是，送放圖形為一空間組合體；三個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為空間球體或多球體。（4）送放運動的自由度送放運動具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，即送放運動的自由度，亦即機械手或機器人的自由度。它等于主運動自由度數(shù)和輔運動自由度數(shù)之和。一般情況下，主運動有 1～3 個自由度：當主運動有 1 個自由度時，送放圖形為點位送放；當主運動有2 個自由度時，送放圖形為面位送放；當主運動有 3 個自由度時，送放圖形為體位送放。如果采用多關(guān)節(jié)的送放機構(gòu)，則機械手的主運動自由度數(shù)還可以增加，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，故實際應(yīng)用不多。此時，宜采用增設(shè)輔運動的方法來增加機械手的功能，如增加腕部的平移或整機的行走運動以擴大送放范圍，或增設(shè)腕部的回轉(zhuǎn)和擺動運動以改變被送放物的方位。機械手有幾個自由度就說明有幾個送放運動。自由度越多，送放動作也越多，則機械手越靈活，其送放范圍也越大，但機械手也越復(fù)雜。本次所設(shè)計的機械手的送放機構(gòu)共有 5 個自由度，即主運動有 3 個自由度（手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰） 、輔助運動有 2 個自由度（腕部的回轉(zhuǎn)、擺動） ，為體位送放，全部采用液壓驅(qū)動，分別由兩個直動液壓和三個回轉(zhuǎn)液壓缸來實現(xiàn)。機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖如下圖 4.1 所示：圖 4.1 液壓系統(tǒng)的工作原理圖XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計154.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定4.2.1.液壓缸工作載荷的確定R= Rt+Rf Rm （4.1）?Rt=Rw Rg （4.2）式中，R——液壓缸的工作載荷；Rw——液壓缸軸線方向上的外作用力；Rg——液壓缸軸線方向上的重力；Rf——運動部件的摩擦力；Rm——運動部件的慣性力。非標準機械的液壓缸設(shè)計，按實際計算出工作壓力后，還應(yīng)符合液壓缸額定工作壓力系列標準規(guī)定（JB2183-77） ，本設(shè)計確定的系統(tǒng)工作壓力為 2.5Mpa。4.2.2.液壓缸推力的確定當液壓缸工作壓力確定之后，即可計算出液壓缸的推力。對于活塞式液壓缸，液壓缸的推力為P=pA （4.3）式中，p——系統(tǒng)的工作壓力；A——活塞的有效工作面積。XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計164.2.3.液壓缸流量的計算液壓缸的工作流量為q=Av （4.4）式中，v——液壓缸或活塞桿的速度；A——液壓缸的有效工作面積。因此，只要確定出液壓缸的直徑 D，就可求出活塞或液壓缸的有效工作面積，從而可求得液壓缸的推力和流量?；蛘?，根據(jù)各缸的實際工作載荷 P，先求出活塞或液壓缸的有效工作面積 A，再確定各缸的直徑 D。4.2.4.液壓缸基本尺寸的確定（1）活塞缸直徑 D 的確定無桿腔工作時：D= （4.5）)()(42121pdPRm???有桿腔工作時：D= （4.6）)()(42121pdm?式中， ——系統(tǒng)的工作壓力， =2.5Mpa；1PP——回油腔的壓力；2——機械效率，一般取 =0.95；m?m?——液壓缸的工作載荷；R——活塞桿的直徑。d按上式計算后，還應(yīng)按 JB2183-77 取規(guī)定系列的直徑值。（2）活塞桿直徑 d 的確定活塞桿直徑可按工作壓力確定，對于常用速比的液壓缸也可根據(jù)已定的缸徑 D查下表：液壓缸工作壓力（MPa） ≤5 5～7 ＞7活塞桿直徑 d （0.5～0.6）D （0.6～0.7）D 0.7D另外，當液壓缸速度在 6～10 m/s 左右時，也可按活塞往返的工作速度之比來確定活塞桿直徑：d=D ，其中 =?1?12v速比 與工作壓力有如下關(guān)系：?工作壓力（MPa ） ≤1.0 1.2520 ＞20速比 1.33 1.46～2 2（3）液壓缸壁厚 δ 的確定XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計17δ= ???2Dp式中， ——試驗壓力；pD ——液壓缸直徑；——缸體材料的許用應(yīng)力。???（4）液壓缸外徑 D0 及長度 l 的確定D0=D+2δl≤（20～30）D 0缸體長度 l 根據(jù)上式由活塞行程來確定，并注意缸體的制造工藝性和經(jīng)濟性。4.3 機械手的腕部設(shè)計4.3.1 腕部結(jié)構(gòu)形式的確定工業(yè)機器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件，起支承手部的作用，為了使手部處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標軸 X、Y、Z 的轉(zhuǎn)動，即具有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動三個自由度。腕部實際所具有的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機器人的工作性能要求來確定。在多數(shù)情況下，腕部具有兩個自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或擺動。一些專業(yè)機械手甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動自由度。本機械手腕部具有兩個自由度，因此采用兩個回轉(zhuǎn)油缸，即回轉(zhuǎn)和擺動，且回轉(zhuǎn)范圍為 0～180 ○ ，擺動范圍為 0～90 ○ 。回轉(zhuǎn)油缸和擺動油缸的結(jié)構(gòu)圖分別如圖4.2 和圖 4.3 所示： ecd圖 4.2XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計18圖 4.34.3.2 腕部回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算實現(xiàn)上述運動的驅(qū)動力必須克服腕部啟動時所需的慣性力矩、腕部回轉(zhuǎn)軸與支承處的摩擦力矩、動片與缸壁和端蓋等處密封裝置的摩擦力矩，以及由于轉(zhuǎn)動部件重心與轉(zhuǎn)動軸心線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩，圖 4.4 所示為腕部受力分析。圖 4.4腕部轉(zhuǎn)動時必須克服三種力矩—— 、 和 ，故手腕的回轉(zhuǎn)力矩 M 至摩M偏 慣少應(yīng)為：（4.7））（慣偏摩 mN???考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取??）（慣偏摩 2.1XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計19式中，M——驅(qū)動力矩；M 慣——慣性力矩；M 偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回轉(zhuǎn)缸動片等）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩；M 摩——腕部回轉(zhuǎn)與支承處的摩擦力矩；以上各力矩的分析計算如下：1）腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M 慣若手部啟動時按等加速運動，角速度為 w，啟動過程所用的時間為 ，啟動過t?程所轉(zhuǎn)過的角度為 ，則??tJ????）（慣 1或 ?????21）（慣 JM（4.8）式中，J——腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；J1——工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；——腕部轉(zhuǎn)動的角速度；?——啟動過程所需的時間，一般為 0.01～0.5（s） ，這里取 0.1；t?——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。?若工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則轉(zhuǎn)動慣量為（4.9）211egGJc??式中， ——工件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量；Jc——工件的重量；1G——工件重心到回轉(zhuǎn)軸的偏心距；eg——重力加速度。本機械手腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：回轉(zhuǎn)軸：對其重量進行估算，定小直徑段為 ，大直徑段為 ，即1G2??NGhgr 864.0916410254.3108.7 15.3232 32321 ???????????????????查表得其轉(zhuǎn)動慣量為XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計20??2622221 104.015.8.96405.8.91 mkgRgG ???????????????????? ?連接板：對其重量進行估算，即 ??Nhr 73.0102614.30.73232 ???????????????查表得其轉(zhuǎn)動慣量為 ????262221 10.0.75.89mkgRgG??????液壓缸：對其重量進行估算，即 ??Nhr 2.158.9041254.310.73232 ??????????????查表得其轉(zhuǎn)動慣量為 ??2622 105.807.895mkgRgG???手爪：對其重量進行估算，即 ??Nhr 6.258.9107102784.310.73232 ???????????????查表得其轉(zhuǎn)動慣量為 2622 10.9803.8965mkgRgG????故腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件的轉(zhuǎn)動慣量和為： ????266.241.56.20.1.4J k???? ??工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： ??222222 .1.017.5.08911 mkgcbagGJ ????由以上計算得腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩為： ????N????7.14.032.064.M?慣2）腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩 M 摩?121dRfBA?摩XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計21式中，d1、d2——腕部軸頸的直徑（參見圖 10） ；f——軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，f=0.01，對于滑動軸承，f=0.1；RA、R B——軸頸處的支撐反力。按腕部轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解 RA 和 RB。根據(jù) ，得??0??FMA123lGl??即 NlGRB 61065.032.78.150321 ???????同理，根據(jù) ，得??0?FM??????NlllGA 8.37065. 02.65.0.265.278.15031 ?????????式中， 、 、 ——工件、手部、腕部的重量；123、 、 、 ——尺寸，見圖 10。ll故 ????mNdRfMBA ???????? 013.5.6105.83701.2212摩3）工件重心偏置引起的偏重力矩 M 偏M 偏 =G1e （4.10）式中，G1——工件重量（N） ；e——偏心距。由于本課題的工件為 250×170×140mm 的箱式零件，即為對稱的零件，因此工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合，也就是偏心距為零，故 M 偏為零。因此腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩為： ????）（慣偏摩 mNM M??????? 6.17.4013.22.1又腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩 M 與回轉(zhuǎn)缸的壓力 p 的關(guān)系為：（4.11）2rRb?式中，M——回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩；XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計22P——回轉(zhuǎn)缸的工作壓力；R——缸體內(nèi)壁半徑；r——輸出軸半徑；b——動片寬度。上述驅(qū)動力矩 M 與壓力 p 的關(guān)系式是對應(yīng)與壓力腔的背壓為零時的情況而言的，若低壓腔有一定的背壓，則 P 為工作壓力與背壓的差值。4.3.3 腕部回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸的確定1）液壓缸內(nèi)徑的確定由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩 M 與回轉(zhuǎn)缸的壓力 p 的關(guān)系推導(dǎo)得缸體內(nèi)壁半徑為； mrPb86.25.125.06172R3?????其中輸出軸半徑 r 由結(jié)構(gòu)設(shè)計定為 12.5mm。查表按標準系列圓整，取 R=32.5mm，即回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑為 65mm。2）液壓缸壁厚 δ 的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算：（4.12）????2Dp?式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm） ；——試驗壓力（MPa） ，工作壓力 p≤16MPa 時， =1.5p；工作壓力p pp≥16MPa 時， =1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為 2.5MPa，故p=1.5×2.5=3.75Mpa；pD——液壓缸內(nèi)徑（mm） ；——缸材料體的許用應(yīng)力（MPa）：???（4.13）??nb??——缸體材料的抗拉強度（MPa） ；b?n——安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取 n=5。對于：鍛鋼 =100～120 MPa??鑄鋼 =100～110 MPaXX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計23鋼管 =100～110 MPa???鑄鐵 =60 MPa現(xiàn) 選用鑄鐵材料， =60Mpa。???將以知數(shù)據(jù)代入上式得 m03.2657.3???因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取 =17.5mm。3）液壓缸外徑 D0 及寬度 b 的計算 10=5.72+ D=0?b≤（20～30）D0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取 b=30mm。4）回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定由方案設(shè)計可知，腕部回轉(zhuǎn)行程 0～180 ○ ，其結(jié)構(gòu)形式見圖 4.2。4.3.4.腕部擺動缸驅(qū)動力矩的計算與回轉(zhuǎn)液壓缸的計算類似，腕部擺動時也必須克服三種力矩—— 、 和摩M偏，故手腕的擺動力矩 M 至少應(yīng)為：慣M）（慣偏摩 mN???同樣考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可?。?.14）??）（慣偏摩 2.1式中，M——驅(qū)動力矩；M 慣——慣性力矩；M 偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回轉(zhuǎn)缸動片等）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩；M 摩——腕部擺動與支承處的摩擦力矩；以上各力矩的分析計算如下：1）腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M 慣若手部啟動時按等加速運動，角速度為 w，啟動過程所用的時間為 ，啟動過t?程所轉(zhuǎn)過的角度為 ，則??tJ????）（慣 1或 ?????21）（慣 JM（4.15）式中，J——腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計24J1——工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；——腕部轉(zhuǎn)動的角速度；?——啟動過程所需的時間，一般為 0.01～0.5（s） ，這里取 0.2；t?——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。?若工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則轉(zhuǎn)動慣量為（4.16）211egGJc??式中， ——工件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量；Jc——工件的重量；1G——工件重心到回轉(zhuǎn)軸的偏心距；eg——重力加速度。由腕部回轉(zhuǎn)運動計算可知，腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量相對工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量要小的多，因此在此僅計算工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： ??????22222 4.1.017.5.08911 mkgcbagGJc ???????由于擺動液壓缸工作時，工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則由以上分析得轉(zhuǎn)動慣量為 ??22211 4.6.054. mkgegGJc ??????由以上計算得腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩為： ??mN???75.2.034M?慣2）腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩 M 摩腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩公式為（4.17）??121dRfBA??摩由由腕部回轉(zhuǎn)運動計算可知，腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩相對與其他力矩要小的多，故此不在計算。3）工件重心偏置引起的偏重力矩 M 偏XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計25M 偏 =G1e （4.18）式中，G1——工件重量（N） ；e——偏心距。由于腕部擺動時，工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，故存在偏心力矩 ??mNeG????9.64.015偏因此腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩為： ????）（慣偏慣偏摩 mNM M ?????? 6.9875.2.1.2.2.14.3.5.腕部擺動液壓缸尺寸的確定1）液壓缸內(nèi)徑的確定由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩 M 與回轉(zhuǎn)缸的壓力 p 的關(guān)系推導(dǎo)得缸體內(nèi)壁半徑為； mrPb4.531305.26982R2?????其中輸出軸半徑 r 由結(jié)構(gòu)設(shè)計定為 15mm。查表按標準系列圓整，取 R=55mm，即回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑為 110mm。2）液壓缸壁厚 δ 的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算：（4.19）????2Dp?式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm） ；——試驗壓力（MPa） ，工作壓力 p≤16MPa 時， =1.5p；工作壓力p pp≥16MPa 時， =1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為 2.5MPa，故p=1.5×2.5=3.75Mpa；pD——液壓缸內(nèi)徑（mm） ；——缸材料體的許用應(yīng)力（MPa）：???（4.20）??nb??——缸體材料的抗拉強度（MPa） ；bn——安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取 n=5。對于：鍛鋼 =100～120 MPa???XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計26鑄鋼 =100～110 MPa???鋼管 =100～110 MPa鑄鐵 =60 MPa現(xiàn) 選用鑄鐵材料， =60Mpa。?????將以知數(shù)據(jù)代入上式得 m43.602175.3???因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取 =30mm。3）液壓缸外徑 D0 及寬度 b 的計算 170=3+1 D=0?b≤（20～30）D 0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取 b=100mm。4）回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定由方案設(shè)計可知，腕部擺動行程 0～90 ○ ，其結(jié)構(gòu)形式見圖 4.3。4.4 機械手的手臂和機身的設(shè)計4.4.1. 手臂和機身結(jié)構(gòu)形式的確定手臂部件（簡稱臂部或手臂）是機械手的主要執(zhí)行部分，其作用是支承手腕及抓取機構(gòu)（包括被抓取的工件或工具） ，有時其他一些裝置如傳動機構(gòu)或驅(qū)動裝置也安裝在手臂上。機身則直接支承和帶動手臂部件，并實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)、升降、俯仰等運動。因此，手臂的送放運動越多，機身的結(jié)構(gòu)和受力狀況也越復(fù)雜。設(shè)計手臂和機身時應(yīng)注意以下幾個問題：1）剛度剛體是指手臂和機身在外力作用下抵抗變形的能力。由于機械手的手臂一般都要懸伸（水平或垂直懸伸） ，因而手臂和機身的剛度十分重要。手臂的懸伸量越大，剛度越差，而且剛度歲懸伸距離的變化而不斷變化，因而懸伸量對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力都有很大的影響。為了提高手臂的剛度，除了盡量縮短手臂的懸伸量外，還應(yīng)合理地選擇使手臂抗彎扭能力強的手臂截面形狀，并合理地確定手臂的壁厚和材質(zhì)，以及合理地布置受力構(gòu)件的位置和方向。2）精度機械手的精度最終反映在手部的位置精度上，在很大程度上取決與手臂和機身的精度。影響手臂和機身的精度的因素較多，主要有本身的剛度、手部和腕部與手臂的連接剛度，以及手臂和機身運動的導(dǎo)向裝置和定位裝置的精度等。3）平穩(wěn)性手臂和機身的質(zhì)量較大，其運動速度和負荷也較大，因而產(chǎn)生的沖擊和振動也較大。因此，它們的工作平穩(wěn)性十分重要，將直接影響到機械手的工作質(zhì)量和壽命，XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計27在設(shè)計時應(yīng)予以足夠的重視。在設(shè)計時除了力求結(jié)構(gòu)合理、緊湊、重量輕、慣性小以外，還應(yīng)采取有效的緩沖措施，以便吸收沖擊能量，提高機械手的工作平穩(wěn)性。4）其他要求對于一些在特殊條件下工作的機械手，設(shè)計時應(yīng)滿足其他特殊的要求。例如：在高溫環(huán)境工作時，應(yīng)考慮熱輻射的影響；在腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下工作時，應(yīng)考慮防腐蝕措施；在多用途作業(yè)環(huán)境下工作時，應(yīng)考慮控制、檢測、維修方便等等。手臂和機身的配置形式反映了機械手的總體布置形式，主要取決與機械手的工作要求、運動形式和作業(yè)環(huán)境，大致上可歸納為以下幾種：1）立柱式這種配置形式適合于回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型機械手，因而是一種最常見的配置形式。這種配置形式的手臂可以在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，具有占地面積小、工作范圍的特點。立柱可以安裝在生產(chǎn)線上，為一臺機車服務(wù)，也可以在其上加裝行走裝置，為多臺機床服務(wù)。立柱式配置形式的機械手可以做成單臂的，也可以作成雙臂的。后者通過兩臂同時升降、交臂伸縮，實現(xiàn)一手上料，一手下料，使結(jié)構(gòu)簡單緊湊。2）機座式機座式配置形式的機身設(shè)計成機座的形式，獨立自成系統(tǒng)，便于安裝和搬動。也可在機座上增設(shè)行走裝置，使機座能在地面專用軌道上移動。這種配置形式的手臂裝在機座的頂端，適合于回轉(zhuǎn)型或俯仰型機械手。這種配置形式的機械手也可以做成雙臂的或多臂的，以便同時為幾臺機床服務(wù)。3）屈伸式屈伸式配置形式的小臂相對于大臂可以作屈伸運動，大臂又可相對于機身作回轉(zhuǎn)和俯仰運動。因此，手臂夾持中心的運動軌跡為一空間曲線。這種配置形式能有效地利用空間，并能繞過障礙物夾持和送放工件，但使機械手的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。4）懸掛式懸掛式配置形式的機身設(shè)有橫梁，用于懸掛手臂，這種配置形式主要用于直角坐標式機械手。橫梁可設(shè)計成固定的，也可以設(shè)計成移動的。一般情況下，橫梁可安放在廠房原有的建筑物上。本機械手機身采用機座式，手臂運動的導(dǎo)向裝置為雙導(dǎo)向桿式，兩導(dǎo)向桿對稱配置在驅(qū)動油缸的兩側(cè)。4.4.2. 手臂驅(qū)動力的計算計算臂部運動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進去。機器人工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。1）手臂水平伸縮運動時的驅(qū)動力計算下圖 4.4 所示的為手臂作水平伸縮運動時的受力分析。XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計28圖 4.4當壓力油輸入工作腔時，活塞驅(qū)動手臂前伸。其驅(qū)動力應(yīng)克服手臂在前伸啟動時所產(chǎn)生的慣性力、手臂運動部件與密封裝置的摩擦阻力，以及回油腔的壓力（即負壓） 。因此，驅(qū)動力為 背封摩慣 PP??式中， ——手臂啟動過程中的慣性力；慣P——摩擦阻力（包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸體之間的摩擦阻力） ；摩——密封裝置處的摩擦阻力，用不同形式的密封裝置，其摩擦阻力不同；封——油缸非工作腔的壓力（即背壓）所造成的阻力，若非工作腔與油箱或大背氣相通，則 =0。背P2）手臂作回轉(zhuǎn)運動時的驅(qū)動力矩計算驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩為 M，該力矩應(yīng)與手臂啟動時所產(chǎn)生的慣性力矩 以及密慣M封裝置所產(chǎn)生的阻力矩 平衡（略去軸承處的摩擦） ，因此：封 封慣 ??式中， ——慣性力矩；慣——密封裝置處的摩擦力矩。封M一般， 按下式計算：慣（4.21）tJM????0慣式中， ——回轉(zhuǎn)缸動片的角速度增量，在啟動過程中， ；?? ??——啟動過程的時間；tXX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計29——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量。0J若手臂回轉(zhuǎn)部件的重心與回轉(zhuǎn)軸線不重合，則其部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為（4.22）20pgGJe??式中， ——回轉(zhuǎn)部件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量；Jep——回轉(zhuǎn)部件的重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。當手臂部件尺寸不大，而且其重心位置距回轉(zhuǎn)軸線又較遠時，可認為手臂部件為“質(zhì)點” ，則按下式計算轉(zhuǎn)動慣量：（4.23）20pgGJ?另外，在初算驅(qū)動力矩時，為了簡化計算，也可以用效率參數(shù)來考慮各密封裝置的摩擦阻力的影響，則可按下式計算驅(qū)動力矩：（4.24）?慣M?式中， ——回轉(zhuǎn)缸的效率，取 =0.85～0.90。?由上述可知，要減少驅(qū)動力矩，必須減少啟動時的慣性力矩，應(yīng)盡量減少手臂的懸伸量，盡量使運動部件的總重心趨近手臂的回轉(zhuǎn)軸線，并將手臂縮回后再進行回轉(zhuǎn)。3）手臂作俯仰運動時的驅(qū)動力矩計算下圖 4.5 所示為手臂作俯仰運動時的受力分析圖。XX 大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計30圖 4.5由圖可知，當手臂與水平線成仰角 β1 和俯角 β2 時，鉸接活塞缸的驅(qū)動力 P的作用線與垂直線的夾角 a 在 a1 與 a2 的范圍內(nèi)變化。而作用在活塞上的驅(qū)動力通過連桿機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩與手臂的俯仰角 β 有關(guān)，當手臂處在仰角為 β1 的位置OA1 時，驅(qū)動力矩為（4.25）)cos(1????PbM因為 ??CBDAOtg111?而 ???11cosbCB 11sin?bc?所以 11sico???bartg?????????1incosbtPbM而 背封 PDP??42?（4.26）式中，a,b,c——機械手的結(jié)構(gòu)尺寸（參見圖 4.5） ；