液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)
液壓機(jī)械手設(shè)計(jì),液壓,機(jī)械手,設(shè)計(jì)
摘 要
本次設(shè)計(jì)的多功能機(jī)械手為液壓機(jī)械手，主要由手爪、手腕、手臂、機(jī)身、機(jī)座等組成，具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按自動(dòng)線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動(dòng)作。本機(jī)械手機(jī)身采用機(jī)座式，自動(dòng)線圍繞機(jī)座布置，其坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)式，具有立柱旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、腕部轉(zhuǎn)動(dòng)和腕部擺動(dòng)等4個(gè)自由度；驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，利用油缸、齒輪、齒條實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用油缸與齒輪、齒條或鏈條實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，并能在中間位置停止。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手能對(duì)不同物體完成多種動(dòng)作。
關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；圓柱坐標(biāo)；液壓驅(qū)動(dòng)
I
Abstract
The design of multi-manipulator hydraulic manipulator general, mainly by the gripper, wrist, arm, body, base etc., with the material, flip, and a variety of functions such as translocation, in accordance with the unified automated production line beat and production program have done so. This machine adopts the base-type mobile phone, automatic wire around the base layout, its coordinates in the form of cylindrical coordinate type, with column rotation, arm stretching, wrist rotation and wrist swing and so four degrees of freedom; drive mode for the hydraulic drive, use fuel tank, gear, rack to achieve linear motion， use of tanks and gear, rack or chain to achieve rotary motion. Hydraulic drive has the advantage of high pressure, small size, contribute to a large, gentle movement and can stop in the middle. The design of the robot can complete a variety of different objects in action.
Keywords: mechanical hand; cylindrical coordinate; fluid power drive
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)械手研究目的及意義 1
1.2 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 1
1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀 2
1.2.2 應(yīng)用 3
第2章 方案的確定 6
2.1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手 7
2.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 7
2.3 球坐標(biāo)式機(jī)械手 8
2.4 關(guān)節(jié)式機(jī)械手 8
第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 設(shè)計(jì)的原始參數(shù) 10
3.2 夾持式手部結(jié)構(gòu) 10
3.2.1 手指的形狀和分類 10
3.2.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 10
3.2.3 手部夾緊油缸的設(shè)計(jì) 11
第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15
4.1 手腕的自由度 15
4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 15
4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 15
4.2.2 手腕回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 17
4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 18
第5章 手臂工作油缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 22
5.1 手臂伸縮油缸的設(shè)計(jì)與校核 22
5.1.1 尺寸校核 22
5.1.2 導(dǎo)向裝置 25
5.1.3 平衡裝置 26
5.2 手臂升降油缸的設(shè)計(jì)與校核 26
5.2.1 尺寸設(shè)計(jì) 26
5.2.2 尺寸校核 26
5.3 手臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)與校核 27
5.3.1 尺寸設(shè)計(jì) 27
5.3.2 尺寸校核 27
第6章 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 29
6.1 液壓系統(tǒng)的簡介 29
6.2 液壓系統(tǒng)的組成 29
6.3 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路 29
6.3.1各液壓缸的換壓回路 29
6.4 液壓系統(tǒng)控制原理圖設(shè)計(jì) 30
6.4.1 各缸運(yùn)動(dòng)過程分析 30
第7章 機(jī)械手的可編程控制 33
7.1可編程控制的選擇 33
7.2 電磁鐵動(dòng)作順序 33
7.3 輸入輸出觸點(diǎn)的分配 34
7.4外部接線圖 35
7.5狀態(tài)控制圖 36
7.6梯形圖 38
結(jié) 論 39
致 謝 40
參 考 文 獻(xiàn) 41
IV
第1章 緒論
液壓機(jī)械手，就其本質(zhì)上來說，屬于工業(yè)機(jī)器人的范疇，機(jī)器人學(xué)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術(shù)發(fā)展的重要課題。
1.1 機(jī)械手研究目的及意義
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用也越來越廣泛。在機(jī)械工業(yè)中，大量應(yīng)用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機(jī)械加工以及裝配等工種。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工種中也均有應(yīng)用[2]。
在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：
1.可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度。
應(yīng)用機(jī)械手有利于在自動(dòng)生產(chǎn)線中實(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)化程度，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。
2.可以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故。
在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質(zhì)的環(huán)境場合，用人手直接操作是很危險(xiǎn)的甚至是不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。
3.可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。
應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行作業(yè)，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一方面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都設(shè)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)奏的生產(chǎn)。
4.用液壓系統(tǒng)來控制機(jī)械手，比一般的機(jī)械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確度更高。
5.運(yùn)用機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)，而大大提高在生產(chǎn)線的工作的時(shí)間，從而能大幅提高勞動(dòng)的生產(chǎn)率。
1.2 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用
機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視[1]。
1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀
專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以液壓機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。液壓機(jī)械手可以應(yīng)用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計(jì)的成本。由于液壓機(jī)械手的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。通用機(jī)械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。目前國內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一技術(shù)都很重視。幾十年來，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。雖然在這方面相對(duì)于發(fā)達(dá)國家還有點(diǎn)落后，但是國內(nèi)現(xiàn)在也越來越感覺到機(jī)械手的重要性，國家大力支持相關(guān)的設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的開發(fā)。在機(jī)器人的發(fā)展以及機(jī)械手的設(shè)計(jì)上也取得了一定的成果，國內(nèi)每年都將舉行機(jī)器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作。
目前國內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)是：
1．研制有更多自由度的液壓機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動(dòng)作。
2．研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作地點(diǎn)。
3．研制維修維護(hù)方便的通用機(jī)械手。
4．研制能自動(dòng)編制和自動(dòng)改變程序的通用機(jī)械手。
5．研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并配有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚(yáng)聲器作為嘴能說話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊
語言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。
6．機(jī)械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動(dòng)作。
7．研制具有柔性系統(tǒng)的液壓機(jī)械手
目前，在國外廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式液壓機(jī)械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動(dòng)一次，而后機(jī)械手可以按領(lǐng)動(dòng)的工作內(nèi)容正確進(jìn)行再現(xiàn)動(dòng)作。如果把這種再現(xiàn)式通用機(jī)械手稱為第二代機(jī)械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機(jī)械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機(jī)械手正在朝著一種可以存儲(chǔ)大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機(jī)械手具有比原來的更多的自由度?，F(xiàn)在國內(nèi)具有越來越強(qiáng)的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來，我國一定能夠趕上并將且超越發(fā)達(dá)國家在機(jī)械手乃至整個(gè)機(jī)械方面處于領(lǐng)先地位。
1.2.2 應(yīng)用
機(jī)械手一半分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的物理性之外，還具備使用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機(jī)來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號(hào)操作機(jī)械手來進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)外，工作程序 是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手[3]。
機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1985年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂。端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓作存貯裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手都是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。
日本式工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力從事機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)導(dǎo)，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位達(dá)50多個(gè)。1976年各大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究經(jīng)費(fèi)約占總研究費(fèi)用的42%。1979年日本的機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)433億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50~60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。
目前工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。下面就國內(nèi)機(jī)械工業(yè)、鐵路部門應(yīng)用機(jī)械手的簡況，以及國外機(jī)械工業(yè)發(fā)展和應(yīng)用機(jī)械手的簡況，分別介紹如下。
1.熱加工方面的應(yīng)用
熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)高效率和工作安全，尤其對(duì)于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機(jī)械手操作。
機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)揮鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累的勞動(dòng)條件。因此，國內(nèi)首先是采用鍛造操作機(jī)，裝取料機(jī)械手來代替人工操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。后來在精鍛機(jī)上采用機(jī)械手，使精短過程自動(dòng)化，代替人工喂料。
國外對(duì)鍛造機(jī)械手的研制工作十分重視，如美國采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手在1300噸鍛壓機(jī)上鍛造齒輪毛坯；瑞典采用Unimate型機(jī)械手在壓力機(jī)上鍛造曲軸；采用Versatran型機(jī)械手生產(chǎn)大型軸承環(huán)，機(jī)械手在兩臺(tái)液壓機(jī)間傳送軸承環(huán)的坯料。
鍛壓機(jī)械手的手指部位必須采用耐熱鋼鍛造，相當(dāng)于40CrNi2Mo的材料。同時(shí)用空氣、水噴霧冷卻。機(jī)械手外部裝有防熱護(hù)罩，內(nèi)部通水冷卻。
機(jī)械手在鍛造、熔煉方面的應(yīng)用，國內(nèi)已研制成功壓鑄機(jī)上下料機(jī)械手，上下箱、合箱、澆注機(jī)械手，以及鑄件表面清理機(jī)械手等。有些工廠還將機(jī)械手和造型機(jī)配合組成鑄造生產(chǎn)自動(dòng)線，徹底改變了鑄造生產(chǎn)的面貌。
國外對(duì)電爐煉鋼過程中采用機(jī)械手進(jìn)行了大量的研究。由于強(qiáng)大電流的干擾，影響了機(jī)械手的采用，并由于熔渣和鋼水難以區(qū)別，往往在澆注過程中容易液、渣不分，需研究帶有特殊傳感裝置的機(jī)械手，才能實(shí)現(xiàn)澆注的機(jī)械化和自動(dòng)化。
2.冷加工方面
冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，稱為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要手段。
國內(nèi)機(jī)械工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專業(yè)上采用機(jī)械手上下料、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。如在軸類、螺栓、氣閥和螺撐帽坐等零件的加工機(jī)床上配置了機(jī)械手，代替人工上下料。在三通閥體、軸瓦、平斜鐵、柴油機(jī)搖臂加工生產(chǎn)自動(dòng)線上采用單臂、雙臂圓柱式機(jī)械手，成為聯(lián)接工序、運(yùn)送工件的重要裝備。并在連桿粗加工自動(dòng)線上采用數(shù)控機(jī)械手，這樣它不僅擔(dān)負(fù)自動(dòng)線上機(jī)床工件的裝卸、運(yùn)輸，并能發(fā)出指令指揮全線工作。
國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸、輪對(duì)等大、中批量零部件。并和機(jī)床設(shè)備共同組成一個(gè)綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。
3.拆修裝方面
拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)房中體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門。已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清楚石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點(diǎn)，國外已研究采用攝像機(jī)和力的傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)聯(lián)接在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。
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)[4]
。
43
第2章 方案的確定
本畢業(yè)設(shè)計(jì)是液壓機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種[5]：
表2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表
結(jié)構(gòu)形式方案
特點(diǎn)
優(yōu)缺點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡圖
直角坐標(biāo)型
作機(jī)的手臂具有三個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標(biāo)配置
結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最為簡單，但其占空間較大，且運(yùn)動(dòng)軌跡單一，使用過程中效率較低
圓柱坐標(biāo)型
操作機(jī)的手臂至少有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標(biāo)系配置
結(jié)構(gòu)剛度較好，運(yùn)動(dòng)所需功率較小，控制難度較小，但運(yùn)動(dòng)軌跡簡單，使用過程中效率不高
續(xù)表2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表
結(jié)構(gòu)形式方案
特點(diǎn)
優(yōu)缺點(diǎn)
結(jié)構(gòu)簡圖
球坐標(biāo)型
操作機(jī)的手臂具有兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標(biāo)系配置
結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定難度，且機(jī)械手臂的剛度不足，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜
關(guān)節(jié)型
操作機(jī)的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動(dòng)作，具有三個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)
運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度大，機(jī)械手臂的剛度差
2.1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手
直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式X、Y、Z三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1。
其工作范圍可以使一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有A、B、C三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。但在實(shí)際上式很少有的。缺點(diǎn)是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小。
2.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種形式，它適用于搬運(yùn)和測(cè)量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間小，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、φ三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。它的工作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1.
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)作：
1. 手臂水平回轉(zhuǎn)；
2. 手臂伸縮；
3. 手臂上下；
4. 手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作；
5. 手爪夾緊動(dòng)作。
圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒、手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可作上下直線運(yùn)動(dòng)（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)（φ）。
據(jù)國外140中機(jī)械手的統(tǒng)計(jì)，圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手就有86種，其中76中式具有X、Z、φ三個(gè)運(yùn)動(dòng)，而具有六個(gè)自由度的機(jī)械手僅有六種。
本次設(shè)計(jì)方向與該類型機(jī)械手特點(diǎn)相符。
2.3 球坐標(biāo)式機(jī)械手
球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它是由X、θ、φ三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。
球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)以下八個(gè)動(dòng)作：
1．手臂上下動(dòng)作，即俯仰動(dòng)作；
2．手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作；
3．手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作；
4．手腕上下彎曲；
5．手腕左右擺動(dòng)；
6．手腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
7．手爪夾緊動(dòng)作；
8．機(jī)械手整體移動(dòng)。
球坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運(yùn)動(dòng)，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，工作范圍和人手的動(dòng)作類似。它的特點(diǎn)是能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線。所以工效高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小，二動(dòng)作范圍大。
2.4 關(guān)節(jié)式機(jī)械手
關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動(dòng)型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄空間工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。
關(guān)節(jié)式機(jī)械手有大臂和小臂的擺動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)式機(jī)械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。為具有近似人手操作的機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。
關(guān)節(jié)式機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條式和擺動(dòng)式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用哪一種型式，主要根據(jù)工件的輕重來決定。
本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是4自由度體型小的液壓機(jī)械手，上述4種類型機(jī)械手中圓柱坐標(biāo)機(jī)械手體型合適，機(jī)構(gòu)適宜，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。
第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
工件是棒料，使用夾持式手部。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，，并安裝于機(jī)械手手臂的前端[6]。
3.1 設(shè)計(jì)的原始參數(shù)
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為4自由度機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)大臂的升降和旋轉(zhuǎn)，小臂的伸縮和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：
1．手臂力至少達(dá)90N
2．自由度數(shù) 4
3、手臂伸縮速度750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回轉(zhuǎn)速度110o／s，手腕回轉(zhuǎn)速度360o/s
4、手臂伸縮行程范圍0~500mm，手臂升降行程范圍最大0～200mm，手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0o~220o。
3.2 夾持式手部結(jié)構(gòu)
夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
3.2.1 手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時(shí)，就成為移動(dòng)型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件[7]。
3.2.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題
1．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)具有一定的開閉角
兩手指張開與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應(yīng)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。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。
3.保證工件準(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.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)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
5.應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求
(1)抓取形狀 手指形狀應(yīng)根據(jù)工件形狀而設(shè)計(jì)。如工件為圓柱形．則采用“V”形手指；圓球狀工件用圓弧形三指手指，方料用平面形手指，細(xì)絲工件用尖指勾形或細(xì)齒鉗爪手指?？傊畱?yīng)根據(jù)工件形狀來選定手指形狀。
(2)抓取部位 抓取部位的尺寸盡可能是不變的．若加工后尺寸有變化，手指應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對(duì)于工件表面質(zhì)量要求高的，抓取時(shí)盡量避開高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)墊片(如橡皮．抱沫塑料．石棉襯墊等)，以防夾持時(shí)損壞工件。
(3)抓取數(shù)量 若用一對(duì)手指抓取多個(gè)工件，為了不發(fā)生個(gè)別工件的松動(dòng)或脫落現(xiàn)象，在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫、塑料等 ，對(duì)于較長工件可采用雙指或多指抓取。
6.應(yīng)考慮手指的多用性
手指是專用性較強(qiáng)的部件，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可制成組合式的手指，對(duì)于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，更換迅速和準(zhǔn)確，以便擴(kuò)大機(jī)械手的使用范圍[8]。
3.2.3 手部夾緊油缸的設(shè)計(jì)
1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算
本課題液壓機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，
1-夾持器 2-齒條活塞桿 3-小齒輪 4-銷 5-套筒 6-銷軸 7-壓力彈簧 8-法蘭
圖3-1齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)圖
1．根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式[9]:
（3-1）
式中：-為夾持工件的握力，
-為工件重量，N，要求抓取重量為
-為手指夾角的1/2,角度,V形手指的角度
—為摩擦系數(shù) 取
代入式中
2．根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的示意圖3-1，其驅(qū)動(dòng)力為:
（3-2）
式中：—為理論驅(qū)動(dòng)力，
—為夾持物體中心到銷軸的中心距，
—銷軸到小齒輪的中心距
代入式中
3．實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:
（3-3）
式中—為實(shí)際驅(qū)動(dòng)力,
—為工作效率因?yàn)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取
—為安全系數(shù) 通常取1.2~2 這里取
—為工作情況系數(shù) 若被抓取工件的最大加速度取時(shí)，則:
所以
夾持工件時(shí)所需夾緊液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為。
2、 手指夾緊工件時(shí)，彈簧變形所產(chǎn)生的彈簧力（選擇彈簧型號(hào)為GB1239-89）
（3-4）
式中 —為彈簧變形所產(chǎn)生的彈力
—為手指夾緊工件時(shí)彈簧的變形量，，
—彈簧材料的切變模量
—為使手指松開的復(fù)位彈簧絲直徑
—為彈簧的旋繞比（又稱為彈簧指數(shù) ）
—為彈簧的有效圈數(shù)；
3、求夾緊缸的工作壓力
作用在夾緊缸活塞上的機(jī)械載荷P為：
（3-5）
式中 —為夾緊活塞上的機(jī)械載荷,
—為實(shí)際驅(qū)動(dòng)力,N
—為彈簧變形所產(chǎn)生的彈簧力,N
—為密封處的工作壓力 由于密封裝置的摩擦阻力較工作阻力（）小，故按照經(jīng)驗(yàn)取，取
計(jì)算得
因作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力與機(jī)械載荷p相平衡，故夾緊缸的工作壓力p為：
（3-6）
式中D—為夾緊缸直徑，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得知，所以
第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸。
4.1 手腕的自由度
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。手腕運(yùn)動(dòng)有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)(或俯仰)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)，沿y軸方向的橫向移動(dòng)(或沿Z軸方向縱向移動(dòng))。因此手腕最多具有四個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)即四個(gè)自由度[10]。
手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性，加工工藝要求，工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)，一般手腕沒有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或再增一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作的要求，也有的專用機(jī)械手沒有手腕的運(yùn)動(dòng)，若有特殊要求的可增加手腕左右擺動(dòng)或沿y軸方向的橫向移動(dòng)。
手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油缸，我們選用的是回轉(zhuǎn)油缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，并且要求嚴(yán)格的密封。
4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩
手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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，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)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩[11]。
手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算:
（4-1）
式中:- 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩，
- 慣性力矩，
- 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)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩，
- 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，
下面以圖4-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算:
1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩
若手腕起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，則:
（4-2）
式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，
- 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，。
—手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度，弧度
—起動(dòng)過程所用的時(shí)間，
若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
（4-3）
式中: - 工件對(duì)過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，；
- 工件的重量，
- 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距,
- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度，弧度/s；
- 起動(dòng)過程所需的時(shí)間，
— 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度，弧度
2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏
， （4-4）
式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量，；
- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距，
當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則。
3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩
， （4-5）
式中: ，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，
- 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承；
,- 處的支承反力，N，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，
根據(jù),得:
（4-6）
（4-7）
同理，根據(jù),得:
（4-8）
式中:- 手部的重量，
- 如圖4-2所示的長度尺寸，
1.工件2.手部3.手腕
圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài)圖
4.2.2 手腕回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算
在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，它的原理如圖4-3所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把油腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮油從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn)[12]。單葉片回轉(zhuǎn)油缸的壓力P和驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為:
, 或 （4-9）
1-定片 2-缸體 3-動(dòng)片 4-動(dòng)片風(fēng)圈 5-回轉(zhuǎn)軸 a-進(jìn)油口 b-出油口
圖4-2 回轉(zhuǎn)油缸簡圖
4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核
1.尺寸設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)油缸內(nèi)徑為,半徑,軸徑,半徑,油缸運(yùn)行角速度，加速度時(shí)間，回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力為，動(dòng)片寬度為。
由公式（4-1）計(jì)算力矩：
（4-10）
2.尺寸校核
1．測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
（4-11）
工件的質(zhì)量為,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（4-12）
假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長的棒料來說，最大偏心距
，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
（4-13）
則： （4-14）
2．手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線,則
（4-15）
式中：—為手腕回轉(zhuǎn)部件的重量，
—為工件的重量，
3．手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為
由于是液壓傳動(dòng)，潤滑比較好，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知摩擦力矩很小，故忽略不計(jì)。
4．回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩
（4-16）
式中—為回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，
—為輸出軸與缸蓋密封裝置處的摩擦阻力矩，
（4-17）
式中—輸出軸與缸蓋密封處直徑，
—密封的有效長度（或密封寬度）,
（4-18）
—“O”形密封圈的截面直徑；
—“O”形圈在裝配時(shí)的壓縮率，對(duì)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，,取
—摩擦系數(shù)，
—回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力,
則：
—為動(dòng)片側(cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩，
—?jiǎng)悠鈴脚c油缸密封裝置處的摩擦阻力矩，
—?jiǎng)悠瑐?cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩
（4-19）
其中： — 回轉(zhuǎn)油缸直徑
— 回轉(zhuǎn)油缸與動(dòng)片連接處直徑
由設(shè)計(jì)得：
則
：動(dòng)片外徑與油缸密封裝置處的摩擦阻力矩
（4-20）
其中為動(dòng)片的寬度，，，，和同上述。
則：
5、回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背壓反力矩
（4-21）
其中為回油腔的油液壓力，在這里初步估算為
則：
則手腕回轉(zhuǎn)油缸所需的驅(qū)動(dòng)力矩為：
（4-22）
所以設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。
第5章 手臂工作油缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算
5.1 手臂伸縮油缸的設(shè)計(jì)與校核
手臂的伸縮動(dòng)作由伸縮油缸帶動(dòng)，需要計(jì)算油缸的驅(qū)動(dòng)力。所謂油缸的驅(qū)動(dòng)力是指油缸的高壓油腔的壓力油所產(chǎn)生的合成液壓力。在機(jī)械手工作時(shí)，各油缸的驅(qū)動(dòng)力要分別克服作用在各自油缸活塞上的總機(jī)械載荷，以保證機(jī)械手正常運(yùn)動(dòng)[13]。
手臂伸縮油缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為,油缸內(nèi)徑為，半徑。
5.1.1 尺寸校核
1、設(shè)計(jì)油缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為,油缸內(nèi)徑為,半徑, 活塞運(yùn)行速度為，加速度時(shí)間，進(jìn)油壓力為。
當(dāng)壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度而運(yùn)動(dòng)是所需輸入油缸的流量為：
（5-1）
式中： — 油缸（或活塞）直徑，
— 輸入無桿腔的流量，
— 活塞的移動(dòng)速度，
流量為：
油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力即油缸的驅(qū)動(dòng)力為：
（5-2）
式中： — 進(jìn)油壓力，
— 油缸驅(qū)動(dòng)力，
當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度而運(yùn)動(dòng)是所需輸入油缸的流量為：
（5-3）
式中：— 活塞桿直徑（mm）
— 輸入無桿腔的流量，
— 活塞的移動(dòng)速度，，
則流量為：
油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力即油缸的驅(qū)動(dòng)力為：
（5-4）
2、計(jì)算作用在活塞上的總機(jī)械載荷
機(jī)械手手臂移動(dòng)油缸的受力簡圖如圖5-1所示。作用在活塞上的總機(jī)械載荷P為：
（5-5）
圖5-1 手臂伸縮油缸受力簡圖
1.工作阻力：工作阻力的數(shù)值要根據(jù)油缸工作的 具體情況確定有無，并進(jìn)行計(jì)算或估算。
在此為完成搬運(yùn)工件的伸縮油缸，故不受工作阻力，即為0。
2.導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力：不同配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。
本設(shè)計(jì)如圖5-1所示的是雙向桿導(dǎo)機(jī)構(gòu)，其導(dǎo)向桿截面形狀是圓柱面。導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在油缸的兩側(cè)，并布置在過油缸活塞桿的平面內(nèi)。
圖5-1所示的油缸在啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力較大，估計(jì)如下：
由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均勻，可按一只導(dǎo)向桿估算，忽略導(dǎo)向桿直徑的影響，根據(jù)它手里的平衡條件推得：
（5-6）
式中 — 參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量，（包括被抓物件重量）估算為
— 手臂縮回時(shí)參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心C到導(dǎo)向支承前端的距離
— 導(dǎo)向支承的長度，
— 摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無潤滑時(shí)，鋼對(duì)鋼的取
— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)，對(duì)于圓柱面 ，取
則：
3.密封裝置處的摩擦阻力
在壓力油驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，各密封裝置處摩擦阻力之和為，即
（5-7）
分別為活塞桿和缸蓋處、活塞與缸壁處、伸縮油管處等密封裝置處的摩擦阻力，其值隨密封圈結(jié)構(gòu)的不同而異。
當(dāng)油缸的工作壓力不大于時(shí)，活塞桿直徑為油缸直徑的一半，活塞和活塞桿處走采用O型密封圈時(shí)，油缸密封處的總摩擦力為：
伸縮油管處的摩擦阻力為：
（5-8）
式中 —密封圈與配合面的摩擦系數(shù)，主要與密封圈形式、材料與配合接觸的零件材料和油液壓力有關(guān)。
對(duì)于O型橡膠密封圈，當(dāng)油液壓力時(shí)，。油液壓力高時(shí)取小值，壓力低時(shí)取大值，在本次設(shè)計(jì)中取。
—密封處的工作壓力，，
—伸縮油管直徑，，
—密封的有效長度，
密封的有效長度l近似估算為：
（5-9）
式中：—為壓縮率 一般為，在這里取
—為O型密封圈截面直徑， 對(duì)應(yīng)圖帶入
則：
（5-10）
（5-11）
4.慣性力
機(jī)械手的手臂在起動(dòng)時(shí)，活塞桿上所受到的平均慣性力，可近似計(jì)算如下：
（5-12）
式中： — 參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量，（包括被抓物件重量）
g — 重力加速度，
— 速度變化量， ，
— 啟動(dòng)過程的時(shí)間，
則：
5.背壓阻力
背壓阻力為油缸低壓油液所造成的阻力。一般被壓阻力較小，可按計(jì)算。
由于，故。
所以： （5-13）
因?yàn)椋?，故該油缸的尺寸符合使用要求?
5.1.2 導(dǎo)向裝置
液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。目前導(dǎo)向桿常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中采用雙向?qū)驐U來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性[16]。
5.1.3 平衡裝置
在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮油缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和油缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。
5.2 手臂升降油缸的設(shè)計(jì)與校核
5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)
油缸運(yùn)行長度設(shè)計(jì)為,油缸運(yùn)行速度為，加速度時(shí)間,油缸內(nèi)徑為,半徑,進(jìn)油壓力為，做升降運(yùn)動(dòng)的總重量。
5.2.2 尺寸校核
驅(qū)動(dòng)力為：
（5-14）
由經(jīng)驗(yàn)公式可得：
故： （5-15）
作用在活塞上的推力：
（5-16）
因?yàn)?，所以伸縮油缸的尺寸符合要求。
5.3 手臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)與校核
5.3.1 尺寸設(shè)計(jì)
油缸內(nèi)徑為,半徑,軸徑半徑,油缸運(yùn)行角速度，加速度時(shí)間，進(jìn)油壓力
5.3.2 尺寸校核
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)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平街。若軸承處摩擦力矩忽略不計(jì)，則可按下式計(jì)算：
（5-17）
式中 — 密封裝置處的摩擦阻力矩，回轉(zhuǎn)缸密封裝置處的摩擦阻力矩應(yīng)包括回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片圓柱面與缸徑和動(dòng)片端面與缸蓋之間的摩擦阻力矩，如圖5-2中b所示，因此，摩擦阻力矩可按下式計(jì)算：
（5-18）
（5-19）
（5-20）
其中： （5-21）
式中各尺寸符號(hào)如圖5-2所示，單位為厘米，其為密封圈與缸徑裝配后接觸面的有效寬度。
由設(shè)計(jì)估算：
（5-22）
— 慣性力矩，手臂在起動(dòng)過程的慣性力矩可按下式計(jì)算：
（5-23）
式中 — 回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的角速度變化量， 在起動(dòng)過程，其。
— 起動(dòng)過程的時(shí)間，
— 手臂回轉(zhuǎn)部件(包括工件)對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，。
由于參與回轉(zhuǎn)的零件形狀．尺寸和重量各不相同，所以計(jì)算比較復(fù)雜，為了簡化計(jì)算，可將形狀復(fù)雜的零件簡化成幾個(gè)簡單形體，分別計(jì)算，然后將各值相加，即是復(fù)雜零件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。
手臂回轉(zhuǎn)的零件重心與回轉(zhuǎn)軸線重合，其零件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為[17]：
（5-24）
，，
（5-25）
（5-26）
手臂回轉(zhuǎn)力矩： （5-27）
得出結(jié)論：
即所需克服的負(fù)載小于回轉(zhuǎn)缸所能提供的回轉(zhuǎn)力矩，所以油缸的尺寸設(shè)計(jì)符合要求。
第6章 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
6.1 液壓系統(tǒng)的簡介
機(jī)械手的液壓傳動(dòng)是以有壓力的油液作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動(dòng)時(shí)所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時(shí)所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動(dòng)的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運(yùn)動(dòng)著的壓力油的容積變化來傳遞動(dòng)力的液壓傳動(dòng)稱為容積式液壓傳動(dòng)，機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動(dòng)。
6.2 液壓系統(tǒng)的組成
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成：
① 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動(dòng)整個(gè)液壓系統(tǒng)工作。
② 液動(dòng)機(jī) 壓力油驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件對(duì)外工作部分。手臂做直線運(yùn)動(dòng)，液動(dòng)機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的液動(dòng)機(jī)一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動(dòng)機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動(dòng)油缸）。
③ 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動(dòng)。
6.3 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路
機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運(yùn)動(dòng)的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動(dòng)等。
6.3.1各液壓缸的換壓回路
為便于機(jī)械手的自動(dòng)控制，如采用可編程序控制器或微機(jī)進(jìn)行控制，從總體方案設(shè)計(jì)中可知系統(tǒng)系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般都選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益。
液壓機(jī)械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂俯仰、手臂旋轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時(shí)為了保證多缸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)互不干擾，實(shí)現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動(dòng)，換向閥需采用中位“O”型換向閥。本設(shè)計(jì)選擇單泵供油系統(tǒng)。
單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經(jīng)濟(jì)性好。
6.4 液壓系統(tǒng)控制原理圖設(shè)計(jì)
液壓機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理如圖6-1所示
圖6-1機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖
1-液壓系統(tǒng)油箱 2-過濾器 3-液壓泵 4-溢流閥 5-單向閥 6-節(jié)流閥 7-三位四通電磁閥 8-二位四通電磁閥 9-電動(dòng)機(jī)
6.4.1 各缸運(yùn)動(dòng)過程分析
1、手臂前伸 PLC指令控制電磁鐵1DT通電吸合。泵3供油經(jīng)單向閥5，流經(jīng)三位四通電磁閥右位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向手臂伸縮液壓缸，從而推動(dòng)機(jī)械手手臂做前伸運(yùn)動(dòng)。
2、夾緊工件 在整機(jī)啟動(dòng)的情況下，泵3供油流經(jīng)單向閥，然后PLC控制程序指令控制電磁鐵3DT通電吸合，此時(shí)此二位四通電磁閥處于右位，液壓油直接流進(jìn)機(jī)械手手指夾緊液壓缸的右腔，從而拉動(dòng)滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)夾緊工件。此時(shí)電磁換向閥通電不變，直到接到放松工件指令才斷電，此時(shí)因液壓缸保持不動(dòng)，回路壓力升高，到達(dá)溢流閥的設(shè)定壓力時(shí)，溢流閥開啟，然回路壓力保持不變，仍然能夠保持夾緊需要。
3、手臂上升 PLC指令控制電磁鐵5DT通電吸合。泵3供油經(jīng)單向閥5，流經(jīng)三位四通電磁閥左位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后流向手臂升降液壓缸的下腔，從而推動(dòng)機(jī)械手做上升運(yùn)動(dòng)。
4、手腕回轉(zhuǎn) PLC指令控制電磁鐵7DT通電吸合。泵3供油經(jīng)單向閥5，三位四通電磁閥左位，然后流經(jīng)節(jié)流閥和單向閥構(gòu)成的調(diào)速閥，然后直接流向手腕回轉(zhuǎn)液壓缸，從而推動(dòng)機(jī)械手手腕做
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