750 汽車零件加工自動線上的多功能機(jī)械手的設(shè)計（有cad圖+文獻(xiàn)翻譯）

750 汽車零件加工自動線上的多功能機(jī)械手的設(shè)計（有cad圖+文獻(xiàn)翻譯）,750,汽車零件加工自動線上的多功能機(jī)械手的設(shè)計（有cad圖+文獻(xiàn)翻譯）,汽車零件,加工,自動,線上,多功能,機(jī)械手,設(shè)計,cad,文獻(xiàn),翻譯 外文翻譯 Design and Development of a Competitive Low-Cost Robot Arm with Four Degrees of Freedom 一個具有競爭力的低成本的四自由度機(jī)械人手臂的設(shè)計與開發(fā) 院 、 部： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)名稱：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名： 劉世平 學(xué) 號： 10201420716 指導(dǎo)老師： 劉吉兆 職稱： 教授 完成日期 2014年 5月 摘 要 這項工作的主要重點是設(shè)計，開發(fā)和實施具有競爭力的機(jī)器人手臂具有增強(qiáng)控制和粗短的成本。機(jī)器人手臂的設(shè)計采用四自由度和才華來完成精確簡單的任務(wù)，如光材料處理，這將被整合到了作為一個助理為工業(yè)勞動力的移動平臺。機(jī)器人手臂上配有數(shù)個伺服電機(jī)的臂之間做鏈接和執(zhí)行的手臂動作。伺服電機(jī)編碼器包括使沒有控制器實施?？刂莆覀兪褂肔abVIEW ，它執(zhí)行逆運(yùn)動學(xué)計算和串行通信的適當(dāng)?shù)慕嵌?，以一個微控制器，驅(qū)動伺服電機(jī)，修改的位置，速度和加速度的能力的機(jī)器人。機(jī)器人手臂的測試和驗證，進(jìn)行和結(jié)果表明，正常工作。關(guān)鍵詞：機(jī)器人手臂，低成本，設(shè)計，驗證，四自由度，伺服電機(jī)， Arduino的的機(jī)器人控制， Labview的機(jī)器人控制 目 錄 1引言 1 2機(jī)械設(shè)計 1 3機(jī)械手逆運(yùn)動 6 4最終選擇效應(yīng) 6 5機(jī)械手的控制 7 5.1逆運(yùn)動學(xué)控制 8 5.2 手動 9 6測試和驗證 10 7結(jié)果與討論 11 7.1伺服電機(jī)運(yùn)動范圍 11 7.2 電流消耗 12 7.3 最大負(fù)載 12 7.4 最終位置 12 8 結(jié)論 13 參考文獻(xiàn) 14 1引言 機(jī)器人實際上是定義為研究，設(shè)計和使用機(jī)器人系統(tǒng)的制造[1]。機(jī)器人通常用于執(zhí)行不安全的，危險的，高度重復(fù)的，和單調(diào)的任務(wù)。它們具有許多不同的功能，如材料處理，組裝，電弧焊接，電阻焊接，機(jī)床的裝載和卸載功能，刷涂，噴涂等。主要有兩種不同類型的機(jī)器人：一個服務(wù)機(jī)器人以及工業(yè)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人是機(jī)器人，工作半或完全自主地去履行服務(wù)，有用的福祉人類和設(shè)備，但不包括生產(chǎn)操作[2] 。工業(yè)用機(jī)器人，在另一方面，被正式通過ISO定義的自動控制和多用途可編程操縱器在三個或更多個軸[3]。工業(yè)機(jī)器人是移動的材料，零件，工具，或通過可變的程式動作的專門設(shè)備來執(zhí)行各種任務(wù)。工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)不僅包括工業(yè)機(jī)器人，但也能夠執(zhí)行其任務(wù)以及測序或監(jiān)視通信接口需要對機(jī)器人的任何設(shè)備和/或傳感器。2007年全球市場增長了3％，約114,000新安裝的工業(yè)機(jī)器人。截至2007年底，全國共有大約一萬個工業(yè)機(jī)器人的使用，估計有50,000服務(wù)機(jī)器人用于工業(yè)用途比較[3] 。由于增加使用工業(yè)機(jī)器人手臂，演變到該主題開始試圖模仿人類動作的細(xì)節(jié)模式。例如一組學(xué)生在韓國做創(chuàng)新的設(shè)計，為舞蹈的手，舉重，中國書法和顏色分類機(jī)械臂考慮[4] 。另一組工程師在美國開發(fā)八個自由度機(jī)械臂。該機(jī)器人是能夠把握多個對象與很多從筆形狀的一球，也模擬人類的手[5]。在空間上，航天飛機(jī)遙控器系統(tǒng)，被稱為SSRMS或Canadarm ，其繼任者是例子多度已經(jīng)用來執(zhí)行各種使用專門部署熱潮的任務(wù)，例如航天飛機(jī)的檢查自由機(jī)械臂有攝像頭和連接在末端執(zhí)行器和衛(wèi)星的部署和檢索演習(xí)從貨艙航天飛機(jī)傳感器[6] 。 在墨西哥，科學(xué)家們已經(jīng)上了軌道設(shè)計和發(fā)展許多機(jī)器人的手臂，墨西哥政府估計，在墨西哥有在不同的工業(yè)應(yīng)用中使用了大約11,000機(jī)械臂。不過，專家認(rèn)為，機(jī)器人手臂的最高點，不僅質(zhì)量更高，而且準(zhǔn)確，可重復(fù)性和粗短的成本。 大多數(shù)機(jī)器人都設(shè)置了一個操作的示教和重復(fù)技術(shù)。在這種模式下，一個訓(xùn)練有素的操作者（編程器）通常使用的便攜式控制裝置（示教）手動教機(jī)器人的任務(wù)。在這些編程會話機(jī)器人的速度很慢。 目前的工作是一個兩階段的項目，這需要一個移動機(jī)器人能夠運(yùn)送工具從存儲室到工業(yè)單元的一部分。在這個階段中的項目，該項目開展了在科技，墨西哥蒙特雷大學(xué)，主要的重點是設(shè)計， 制定和實施了工業(yè)機(jī)器人手臂粗短的成本，準(zhǔn)確和優(yōu)越的控制。這個機(jī)器人手臂的設(shè)計采用四自由度和才華來完成簡單的任務(wù)，如光隊友里亞爾處理，這將被整合到移動平臺的形式，作為一個助理為工業(yè)勞動力。 2機(jī)械設(shè)計 機(jī)器人手臂的機(jī)械設(shè)計是基于一個機(jī)器人操作器具有類似功能的一個人的手臂[6-8]。這樣的操縱器的鏈接是由關(guān)節(jié)，允許旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和操縱器的鏈接被認(rèn)為形成一個運(yùn)動鏈連接。機(jī)械手的運(yùn)動鏈的業(yè)務(wù)最終被稱為末端效應(yīng)器或臂端的 - 工具，它是類似于人的手。圖1顯示了自由體圖的機(jī)器人手臂的機(jī)械設(shè)計。 圖1 機(jī)械手的自由體圖 如圖所示，端部執(zhí)行器不包括在設(shè)計，因為市售的夾持器被使用。這是因為端部執(zhí)行器是系統(tǒng)中最復(fù)雜的部分之一，并且，反過來，這是很容易和經(jīng)濟(jì)地使用商業(yè)化生產(chǎn)它。 圖2示出了機(jī)器人手臂的工作區(qū)域。 圖2 機(jī)械手工作區(qū)域圖 這是一個機(jī)器人臂具有四個自由度（DOF 4）的典型的工作空間。機(jī)械設(shè)計僅限于4自由度，主要是因為，這樣的設(shè)計允許大部分必要的運(yùn)動，并保持 成本和機(jī)器人競爭的復(fù)雜性。因此，關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動被限制，其中旋轉(zhuǎn)的肩完成圍繞兩個軸和周圍只有一個在肘和手腕上，參見圖1。 機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)通常是由驅(qū)動的電氣馬達(dá)。伺服電動機(jī)被選擇，因為它們包括編碼器，它可以自動提供反饋給電動機(jī)并相應(yīng)地調(diào)整位置。但是， 這些電動機(jī)的缺點是轉(zhuǎn)動范圍小于180?跨度，從而大大減小了臂和可能的位置到達(dá)該區(qū)域的[9]。的基礎(chǔ)上，選定了伺服電機(jī)的資格 由結(jié)構(gòu)和可能的負(fù)載所需的最大扭矩。在目前的研究中，用于構(gòu)造的材料是丙烯酸樹脂。 圖3示出用于負(fù)載計算的力的圖。的計算均只對具有最大負(fù)荷關(guān)節(jié)，由于其他關(guān)節(jié)將具有相同的電機(jī)，即電機(jī)可以移動的鏈接沒有問題。計算考慮了權(quán)重 的電動機(jī)，約50克，除電機(jī)在關(guān)節(jié)B的重量，因為它是通過鏈接的BA。圖4示出了力示意圖上鏈路CB，它包含接頭（B和C）具有最高的負(fù)載（攜帶了該書的DC和ED）和計算如下進(jìn)行。 圖3 機(jī)械手負(fù)載分布圖 圖4 CB段負(fù)載分布圖 用于扭矩計算的值： WD= 0.011千克（體重鏈接的DE） WC= 0.030千克（體重鏈接的CD） WB= 0.030千克（體重鏈路的CB） L = 1千克（負(fù)載） CM = Dm為0.050公斤（重電機(jī)） LBC為0.14米（公元前鏈路的長度） 液晶顯示屏為0.14米（鏈接的CD長度） 斯α= 0.05米（LINK DE的長度） 執(zhí)行力之和在Y軸，用負(fù)載，如圖4中，并求解CY和CB，見方程（1） - （4）。同樣，執(zhí)行的時刻周圍的點C的總和，式（5），和點B，方程 化（6），以獲得在C和B，等式（7）和（8），分別在轉(zhuǎn)矩。 （6） （7） （8） 該被選擇的基礎(chǔ)上，計算在伺服馬達(dá)，是Hextronik HX12K ，其具有280盎司/英寸的扭矩。該電動機(jī)被推薦，因為它比任何其他電機(jī)與同樣規(guī)格便宜得多。由于我們需要更大的扭矩在關(guān)節(jié)B，見公式（8） ，我們使用兩個電動機(jī)在點B處，以符合扭矩要求;然而，一個馬達(dá)是不夠的其它關(guān)節(jié)。采用兩臺電機(jī)的合資B比使用一個大電機(jī)560盎司/英寸便宜得多。 圖 5 伺服電機(jī) 可以在圖5中示出，其他有關(guān)的特征是，它們可以轉(zhuǎn)動60度，在130毫秒和它們有各自47.9克的重量。一旦被定義為機(jī)器人手臂和電機(jī)的初始尺寸，設(shè)計進(jìn)行了使用SolidWorks平臺;設(shè)計應(yīng)仔細(xì)考慮丙烯酸類片材的厚度和該塊將被彼此連接的方式。用于使機(jī)器人的聚丙烯酸酯片材是1/8厚度和該薄片的選擇，因為它更容易加工和更輕的重量以良好的抗性。在設(shè)計過程中，我們面臨著由于強(qiáng)烈的加盟薄亞克力部分的方式有些困難。它是需要工具來燒，并加入丙烯酸零件和未提供的和球隊認(rèn)為機(jī)械結(jié)基于螺釘和螺母會比其他的替代品，如膠如多強(qiáng)。為了做到這一點，一個小的特征，設(shè)計這允許緊固用螺母，螺栓，而不必在薄的丙烯酸層的螺絲。這個過程的結(jié)果是在圖6所示立體設(shè)計。 圖 6 機(jī)械手3D模型 按照設(shè)計的結(jié)束，每個部分被印在滿刻度的硬紙板，然后我們核實了所有尺寸和組件的接口。反過來，我們建立了機(jī)器人手臂的第一個原型。接著，上述機(jī)器人手臂的部件從使用圓鋸和皮膚的工具的聚丙烯酸酯片材進(jìn)行機(jī)械加工。的詳細(xì)說明在各部分被做在一個專業(yè)工場因為機(jī)器人手臂的部分太小，這并不是一件容易的實現(xiàn)這種小而準(zhǔn)確的切割。在組裝機(jī)器人部件的電機(jī)，幾個問題彈出。有報道說，沒有抵抗所述緊固，并且，反過來，可能會破裂的臨界點;因此，在這些點援軍進(jìn)行了審議。機(jī)器人手臂的最終結(jié)果示于圖7。 圖 7 機(jī)械手總體裝配圖 3機(jī)械手逆運(yùn)動 為了驗證機(jī)械臂的定位準(zhǔn)確，逆運(yùn)動學(xué)計算進(jìn)行。這樣的計算來獲得每個電機(jī)從通過使用直角坐標(biāo)系， 圖 8 坐標(biāo)系 如圖8所示的位置上的角度各電動機(jī)將具有特定功能：位于A結(jié)合的位置的馬達(dá)，在y的最終元件軸，馬達(dá)B和C的位置在x和z軸的最后一個元件。該問題已經(jīng)通過使用xz平面簡化，如圖9在其下面的已知值被定義在[9] ：LAB ：前臂長度。LBC ：臂長。Z：在z軸上的位置。X：在x軸的位置。Y：在y軸的位置。利用三角關(guān)系，如圖9所示， θ2和θ1可以得到，如在方程（9）可見，（10）的馬達(dá)角度。 圖9 XZ平面 馬達(dá)B將使用θ1和馬達(dá)C被打算用θ2。的角度為馬達(dá)A的計算公式為EEN在等式（11）。通過這些計算，伺服電機(jī)的角度得到，從而他們采取的行動，整個結(jié)構(gòu)移動到特定位置。 4最終選擇效應(yīng) 端部執(zhí)行器可能是該系統(tǒng)的最重要和最復(fù)雜的部分之一。明顯的，它是非常容易和經(jīng)濟(jì)地使用商業(yè)人比構(gòu)建它。端部執(zhí)行器主要是根據(jù)應(yīng)用和機(jī)器人臂完成的任務(wù)而變化;它可以是氣動，電動或液壓。由于我們的機(jī)器人手臂是基于在電力系統(tǒng)中，我們可以選擇末端效應(yīng)器的電基礎(chǔ)。此外，本系統(tǒng)的主要應(yīng)用是處理，因此，我們的末端執(zhí)行器的推薦類型是一個夾持器，如圖10。 圖 10 夾持器與伺服 5機(jī)械手的控制 該機(jī)器人手臂能自動或手動控制。在手動模式下，訓(xùn)練有素的操作人員（程序員）通常使用的便攜式控制裝置（示教）教一個機(jī)器人做手工任務(wù)。在機(jī)器人的速度這些編程會話是緩慢的。在目前的工作中，我們所包圍的兩種模式。一個微控制器，一個驅(qū)動器和一個臺電腦化用戶界面：三個層次的呈現(xiàn)機(jī)器人手臂的控制基本上由。該系統(tǒng)具有獨(dú)特的特點，允許靈活的編程和控制方法，它是利用逆實施運(yùn)動學(xué);此外它也可以在全手動模式下實現(xiàn)?？刂频碾娮釉O(shè)計示于圖11。 圖11 控制器的電子方案 用微控制器是一個的Atmega 368 ，它有一個名為“ Arduino的”發(fā)展規(guī)劃板，如圖12 。 圖12 Arduino的微控制器板 圖13 伺服控制器驅(qū)動器 編程語言非常類似于C ，但包括幾個庫，幫助在I / O端口，定時器的控制和串行通信。該微控制器被選中因為它具有低的價格，這是很容易重新編程，該編程語言是簡單的，并且中斷可用于這個特定的芯片。所使用的驅(qū)動程序是一個六通道微大師伺服控制器板。它支持三種控制方式： USB直接連接到一臺計算機(jī)， TTL串口與嵌入式系統(tǒng)，如Arduino的微控制器和內(nèi)部腳本中使用自包含和主機(jī)無需控制器的應(yīng)用。這個控制器，如圖13所示，包括位置和內(nèi)置的速度和加速度控器0.25微秒分辨率 用戶界面取決于所使用的控制方法，即，逆運(yùn)動學(xué)或全手動模式。在下文中，每個接口描述： 5.1逆運(yùn)動學(xué)控制 在這種控制方法中，用戶輸入的坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置，其中夾爪應(yīng)。至于后果，接口與LabVIEW通過一個可視化的用戶生成的，如圖14 圖14 Labview的用戶界面 程序?qū)⒆詣訄?zhí)行逆運(yùn)動學(xué)的計算，以得到每個電機(jī)應(yīng)具有的角度，然后發(fā)送一個命令要么到微控制器，或直接將機(jī)器人移動到指定的位置的驅(qū)動器。通信是通過RS- 232協(xié)議進(jìn)行。在下文中，您可能會看到Labview的用戶界面的輸入和輸出。LabVIEW的用戶界面輸入：X軸位置。y軸的位置。Z軸位置。夾持器打開。叼紙牙攻角。串行端口。LabVIEW的用戶界面輸出是： 電機(jī)A角。 電機(jī)B1角度。 電機(jī)B2角度。 電機(jī)?角。 攻角。 姿勢角度 這樣的輸出變量進(jìn)行處理，并通過適當(dāng)?shù)姆绞桨l(fā)送的，這樣的信息可以在一個正確的方式來解釋。該輸出是通過其連通于控制器串行端口發(fā)送。當(dāng)按鈕“移動”被點擊時，一個過程將發(fā)生，如圖15 圖15 程序流程 在圖15中，隨著這個動作，所述機(jī)器人臂將根據(jù)所輸入的值改變其位置。此外，它有一個待機(jī)按鈕，停止該通信控制器。 這種方法的主要優(yōu)點是，它使用移動的有效方法，并提供進(jìn)一步的功能，可以實現(xiàn)，比如位置和順序?qū)W習(xí)。的缺點，另一方面，是使 具有有效的角度逆運(yùn)動學(xué)計算之后可能的位置是非常有限的，因為伺服電機(jī)有180?一個約束。 5.2 手動 這種類型的控制是我們的系統(tǒng)，在特定的位置有用多了一種選擇。在強(qiáng)制的情況下持倉逆運(yùn)動學(xué)模式不能計算其有效的角度，我們可以用手動控制來代替。 基本上，手動控制包括一系列模擬輸入，諸如電位器，一種是與這將解釋該值并發(fā)送一個命令到伺服驅(qū)動器的微控制器相連。為了實現(xiàn)這一點，一個控制板，如圖16 圖16 電位器板 應(yīng)該被構(gòu)建為一個接口與用戶的工作。可能實現(xiàn)包括教學(xué)功能，使微控制器存儲在內(nèi)存中，并通過鍵盤或系列交換機(jī)，我們可能還記得這些職位的職位。 6測試和驗證 若干測試是驗證該機(jī)器人臂和它的組件。測驗涉及的特定元件和整個系統(tǒng)的，如圖17所示。 圖17 機(jī)械手測試 微控制器測試是由軟件發(fā)送不同的命令給單片機(jī)，檢查這是連接到開啟或關(guān)閉取決于命令伺服電機(jī)的輸出發(fā)生變化。伺服電動機(jī)分別通過發(fā)送不同的直接脈沖到每個伺服電動機(jī)和驗證移動到合適的位置的響應(yīng)之后進(jìn)行測試。我們使用的標(biāo)記知道在哪里的初始位置是和最終電機(jī)的位置是通過與微控制器發(fā)送信號，并且，反過來，它是由伺服解釋和比較，由編碼器提供的信號，從而在旋轉(zhuǎn)到所需的位置來確定。在測試過程中，伺服電動機(jī)是因為不正確的極化的不一致性與機(jī)器人臂系統(tǒng)。 伺服電機(jī)驅(qū)動器中使用LabVIEW軟件發(fā)送命令到發(fā)送的特定命令其中有一臺電機(jī)連接根據(jù)稱道改變位置的驅(qū)動微控制器也測試。要注意到，在這一點很重要開始一個項目的不同的伺服電機(jī)驅(qū)動器被選中，但與他們和微控制器之間的通信幾個問題都存在。所以，我們選擇一個驅(qū)動器，允許數(shù)據(jù)被直接從計算機(jī)發(fā)送到它與只有一個USB線，所以，微控制器將僅在箱子的使用實現(xiàn)手動控制。其他測試，以驗證整個系統(tǒng)的功能， 圖 18 機(jī)器人手臂的動作 如顯示在圖18中通過引入在LabVIEW界面中的特定位置和測量，以驗證一個參考點和最后點之間的距離發(fā)生了那些測試：該從逆正確變換到正運(yùn)動學(xué)，指定的角度和馬達(dá)的轉(zhuǎn)動之間的關(guān)系。機(jī)器人手臂的測試和驗證是需要細(xì)長時間，因為需要幾次迭代的任務(wù)之一。在我們的測試中，很多問題出現(xiàn)的：錯誤的角度計算，電機(jī)的錯誤校正，問題與物理角度和位置測量，因為這是沒有預(yù)料過載燒毀伺服電機(jī)之一。 7結(jié)果與討論 7.1伺服電機(jī)運(yùn)動范圍 伺服電機(jī)的極限得到規(guī)范，因為這種類型的電機(jī)都包含有小于180度的跨度。實際范圍為所有電機(jī)被發(fā)現(xiàn)是在范圍125 - 142度，如表1所示的這清楚地表明，機(jī)器人手臂的實際操作是從機(jī)架的情況下不同。 表1 電機(jī)角的范圍 電動機(jī) 角度范圍 電機(jī)A 130? 電機(jī)B1 135? 電機(jī)B2 140? 電機(jī)? 142? 電機(jī)攻擊角度 125? 7.2 電流消耗 消耗電流取決于負(fù)載和機(jī)器人臂的運(yùn)動的類型。在目前的研究中，有4個級別的電流消耗為： ? 低（從0到200 mA）。這種消費(fèi)發(fā)生時，機(jī)器人處于靜止?fàn)顟B(tài)（不運(yùn)動的情況下）。 正常（從200到500 mA）。這件事發(fā)生時，機(jī)器人手臂移動與能力去目標(biāo)沒有很大的扭矩需求。 高（500 mA到900毫安）。達(dá)到按賬面負(fù)載的開頭這個范圍。通過克服的慣性載荷的初始瞬間，在正常范圍內(nèi)發(fā)生的地方。 過電流（超過900 MA）。負(fù)荷太重，電機(jī)不能動彈。為在此條件下被用于多于一分鐘，將馬達(dá)燒毀，也就是說，它是不可能使用的任何多 7.3 最大負(fù)載 這些結(jié)果是用不同的權(quán)重得到的;一袋玉米被用于與規(guī)模來決定包的體重。結(jié)果進(jìn)行了使用機(jī)器人手臂拿起袋子，并將其移動到特定位置。表2presents的電流消耗袋玉米的不同權(quán)重。從表2中可以看出，該機(jī)器人可在負(fù)載沒有問題的移動超過50克以下。在負(fù)載60克，機(jī)器人手臂開始有困難，并通過80克后發(fā)生嚴(yán)重的情況，其中憤怒可逆的損害可發(fā)生在馬達(dá)。 7.4 最終位置 結(jié)果表明，該機(jī)器人臂的精度移動至不同的重量（<50克），結(jié)果列于表3 ，如圖所示，在機(jī)器人手臂能夠執(zhí)行移動到指定的位置。然而，這種移動不平滑，有時馬達(dá)沒有足夠的力，尤其是當(dāng)負(fù)載很重。此外，一些問題可能會由于同步兩個底部的電機(jī)。兩個電機(jī)的步驟是不重合而引起的丙烯酸部位張力，這在箱子被過多會破壞的部分。 表2 負(fù)載與電流消耗 空載 電流損耗 20克 低 40克 正常 50克 正常 60克 高 80克 過流 100克 過流 表3 精度上的所有軸 軸 精度（ + / - ） × 1厘米 ? 2厘米 ? 1厘米 8 結(jié)論 本文介紹了機(jī)器人手臂，具有天賦太一，plish簡單的任務(wù)，如光材料處理的設(shè)計，開發(fā)和實施。機(jī)器人手臂的設(shè)計和建造從那里伺服電機(jī)被用來進(jìn)行武器之間的聯(lián)系和執(zhí)行的手臂動作亞克力材質(zhì)。伺服電機(jī)編碼器包括使沒有控制器實施;然而，電機(jī)的轉(zhuǎn)動范圍小于180°范圍，從而大大減小了臂和可能的位置到達(dá)該區(qū)域。機(jī)器人手臂的設(shè)計，因為這是有限的四個自由度設(shè)計允許大多數(shù)必要的運(yùn)動和保持成本和機(jī)器人競爭的復(fù)雜性。末端執(zhí)行器是不包括在設(shè)計，因為市售的夾持器使用，因為它是更容易和經(jīng)濟(jì)地使用商業(yè)1比生成它。在設(shè)計過程中，我們面臨著由于強(qiáng)烈的加盟薄亞克力部分的方式有些困難。根據(jù)螺釘和螺母的機(jī)械連接點被使用，并且，為了實現(xiàn)這一點，一個小的特征，設(shè)計這使與緊固螺母螺栓，而無需在薄亞克力層螺旋。到控制的機(jī)器人手臂，三種方法被執(zhí)行：一個微控制器，一個驅(qū)動器，和一個基于計算機(jī)的用戶界面。該系統(tǒng)具有獨(dú)特的特點，允許在編程和控制方法的靈活性，它利用逆運(yùn)動學(xué)實施;是 - 兩側(cè)也有可能是在全手動模式下實現(xiàn)。這個機(jī)器人手臂是與他人的對比作為多比現(xiàn)有機(jī)器人手臂更便宜，還可以控制所有從一臺計算機(jī)的動作，使用Labview的接口。數(shù)進(jìn)行測試，以驗證上述機(jī)器人手臂其中睪丸不但涉及特定元素和整個系統(tǒng);在不同的操作條件下的結(jié)果顯示信任的機(jī)器人手臂呈現(xiàn)的。 參考文獻(xiàn) [ 1 ]操作型工業(yè)機(jī)器人 - 詞匯，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)8373 ，1994 . 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Groover and M.Weiss，“工業(yè)機(jī)器人,可編程的技術(shù)應(yīng)用“MC-格勞山，墨西哥D.F.，1989 14 摘 要 本次設(shè)計的多功能機(jī)械手用于汽車零件加工自動線上的設(shè)計，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。本機(jī)械手機(jī)身采用機(jī)座式，自動線圍繞機(jī)座布置，其坐標(biāo)形式為球坐標(biāo)式，具有立柱旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂俯仰、腕部轉(zhuǎn)動和腕部擺動4個自由度。驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，選用雙泵，共有整機(jī)回轉(zhuǎn)油缸、手臂俯仰油缸、手臂伸縮油缸、手腕擺動油缸、手腕回轉(zhuǎn)油缸、手爪夾緊油缸6個液壓缸。送放機(jī)構(gòu)的液壓驅(qū)動系統(tǒng)是由液壓基本回路組成，包括調(diào)壓回路，緩沖回路，調(diào)速回路，換向回路.鎖緊回路，保壓回路。定位采用機(jī)械擋塊定位，定位精度為0.5～1mm，采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手，自動線，液壓，設(shè)計 ，點位控制 ABSTRACT The current design of multifunctional mechanical hand used for R175-type diesel organisms automatic processing line, mainly consist of claw, wrists, arms, body, base and so on. With moving the materials, turnover and transfer spaces, and many other functions, the automatic line with the unified production rhythms and production program completed more moves. With the automatic production line rhythms and the production of complete reunification of the above movements, automatic line is around the machine arrange, the coordinates of the ball coordinates of the form, with huge rotary, extendable arm, arm pitch, hitting and hitting back five moves freedom; Driven approach to hydraulic-driven, and the choice of double leaves pumps, the system pressure to 2.5MPa, 5.5KW electrical power for a total of whole sets of rotation tank, arm tilt cylinders, fuel tanks extendable arm, wrist swing tank, wrist rotation tank, claw clip tank six hydraulic oil tank; positioning a piece of machinery turned positioning, positioning accuracy for 0.5~1mm, using control systems to achieve their point spaces control. Key words: Mechanical hand, the ball coordinates, hydraulic, mechanical turned pieces, control point spaces 目 錄 1緒論 1 1.1機(jī)械手的概述 1 1.2機(jī)械手的組成與分類 1 1.2.1機(jī)械手的組成 1 1.3機(jī)械手的分類 2 1.3 機(jī)械手的組成 3 2總體方案分析 4 2.1總體方案分析 4 2.2方案的確定 4 2.3動作原理 4 2.4 主要技術(shù)指標(biāo) 5 3手部的設(shè)計 6 3.1手部結(jié)構(gòu) 6 3.2手爪的計算與分析 6 3.2.1手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算 6 3.2.2 手爪的夾持誤差分析與計算 7 4腕部的設(shè)計 8 4.1腕部結(jié)構(gòu) 8 4.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 8 5手臂的設(shè)計 11 5.1手臂伸縮液壓缸的設(shè)計計算 11 5.1.1手臂作水平伸縮直線運(yùn)動驅(qū)動力的計算 11 5.1.2手臂垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力的計算 11 5.1.3確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 12 5.1.4液壓缸壁厚計算 12 5.1.5活塞桿的計算 13 5.1.6液壓缸端蓋的聯(lián)接方式與強(qiáng)度計算 13 5.1.6缸蓋螺釘計算 13 5.1.7缸體螺紋計算 14 5.2手臂俯仰運(yùn)動的設(shè)計計算 15 5.2.1手臂俯仰時所需的驅(qū)動力矩 15 5.2.2缸蓋聯(lián)接螺釘計算和動片聯(lián)接螺釘計算 16 5.2.3動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎?16 6.機(jī)身設(shè)計 18 6.1機(jī)身結(jié)構(gòu)的計算 18 6.2機(jī)身設(shè)計時應(yīng)注意的事項 19 7機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理 20 7.1液壓系統(tǒng)的組成 20 7.2液壓傳動系統(tǒng)機(jī)械手的特點 20 7.3油缸泄漏問題與密封裝置 20 7.3.1活塞式油缸的泄漏與密封 21 7.3.2回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封 21 7.4液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 22 7.4.1各液壓缸的換向回路 22 7.4.2調(diào)整方案 22 7.4.3減速緩沖回路 22 7.4.4系統(tǒng)安全可靠性 23 參考文獻(xiàn) 25 致 謝 26 1緒論 1.1機(jī)械手的概述 工業(yè)機(jī)械手（以下簡稱機(jī)械手）是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，作為多學(xué)科融合的邊沿學(xué)科，它是當(dāng)今高技能發(fā)展速度最快的領(lǐng)域之一，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。 所謂工業(yè)樞機(jī)手就是一種能按給定的程序或要求自動完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)的機(jī)械裝置，它能部分地代替人的手工勞作。較高級型式的機(jī)械手，還能模擬人的手臂動作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。 1.2機(jī)械手的組成與分類 1.2.1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)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成，各部關(guān)系如圖1所示： 圖1 工業(yè)機(jī)械手組成圖框 機(jī)械手大致可分為手部、傳送機(jī)構(gòu)、驅(qū)動部分、控制部分以及其他部分。 手部（或稱抓取機(jī)構(gòu)）包括手指、傳力機(jī)構(gòu)等.主要起抓取和放置物件的作用； 傳送機(jī)構(gòu)（或稱臂部）包括手腕、手臂等.主要起改變物件方向和位置的作用； 驅(qū)動部分 它是驅(qū)動前兩部分的動力.因此也稱動力源，常用的有液壓、氣壓、電力和機(jī)械式驅(qū)動等四種形式； 控制部分 它是機(jī)械手動作的指揮系統(tǒng).它來控制動作的順序（程序）、位置和時間（甚至速度與加速度）等； 其它部分 如機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。 1.3機(jī)械手的分類 機(jī)械手從使用范圍、運(yùn)動坐標(biāo)形式、驅(qū)動方式以及臂力大小四個方面的分類分別為： （1）按機(jī)械手的使用范圍分類： 1）專用機(jī)械手 一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線用以自動傳送物件或操作某一工具，例如“毛胚上下料機(jī)械手”、“曲拐自動車床機(jī)械手”、“油泵凸輪軸自動線機(jī)械手”等等。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。 2） 通用機(jī)械手（也稱工業(yè)機(jī)器人） 指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動生成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可以分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。這種機(jī)械手由于手指可以更換（或可調(diào)節(jié)），程序可變，故適用于中、小批生產(chǎn)。但因其運(yùn)動較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)條件要求較高，故制造成本一般也較高。 按機(jī)械手臂部的運(yùn)動坐標(biāo)型式分類： 1)直角坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)系X、Y、Z三個方向移動，亦即臂部可以前后伸縮（定為沿X方向移動）、左右移動（定為沿Y方向移動）和上下升降（定為沿Z方向的移動）; 2)圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手 手臂可以沿著直角坐標(biāo)系的X和Z方向移動，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動（定為繞Z軸轉(zhuǎn)動），亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動； 3)球坐標(biāo)式機(jī)械手 臂部可以沿直角坐標(biāo)軸Z方向移動，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動，亦即手臂可以前后伸縮（沿X軸方向移動）上下擺動（定為繞Y軸擺動）和左右轉(zhuǎn)動（仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動）； 4)多關(guān)節(jié)式機(jī)械手 這種機(jī)械手的臂部可以分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接（肘部）以及大臂和機(jī)體的連接（肩部）均為關(guān)節(jié)（鉸鏈）式連接，亦即小臂對大臂可以繞肘部上下擺動，大臂可繞肩部擺動多角，手臂還可以 左右移動。 （3）按機(jī)械手的驅(qū)動方式分類： 1）液壓驅(qū)動機(jī)械手以壓力油進(jìn)行驅(qū)動； 2）氣壓驅(qū)動樞機(jī)手以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動; 3）電力驅(qū)動機(jī)械手直接用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動； 4）機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手是將主機(jī)的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動方式。 1.3 機(jī)械手的組成 機(jī)械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復(fù)雜，但基本上的組成形式是相同的。一般機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。機(jī)構(gòu)手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由手、手腕、手臂、支座組成。手是抓取機(jī)構(gòu)，用來夾緊或是松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指和手臂白元件，可以上下、左右和回轉(zhuǎn)動作。簡單的機(jī)械手可以沒有手腕，而只有手臂，手臂的動作和手腕相類似，只是動作范圍更大，可以前后伸縮，上下升降和左右擺動等。支柱用來支撐手臂，它是固定的，也可以根據(jù)需要做成移動的。 執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作要有傳動系統(tǒng)來實現(xiàn)。常用的機(jī)械手傳動系統(tǒng)分機(jī)械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電力傳動等幾種形式。 控制系統(tǒng)的主要作用是控制機(jī)械手按一定的程度、方向、位置、速度進(jìn)行動作。簡單的機(jī)械手一般不設(shè)置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關(guān)、繼電器、控制閥及電路便可實現(xiàn)對傳動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求進(jìn)行動作。動作復(fù)雜的機(jī)械手則要采用可編程控制器、微型計算機(jī)進(jìn)行控制。 簡單的組成和分類以及適用范圍如下： 執(zhí)行系統(tǒng)的組成：手部、腕部、機(jī)身、行走機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動系統(tǒng)的組成：各種電氣、液壓元件。 控制系統(tǒng)的組成：位置檢測器、記憶存儲器。 2總體方案分析 2.1總體方案分析 由設(shè)計內(nèi)容可知，本次設(shè)計所確定的機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)為球坐標(biāo)式機(jī)械手，此機(jī)械手要實現(xiàn)從傳送帶到設(shè)備的上下料過程。傳送帶移動方向與設(shè)備上所夾持的工件方向垂直。因此手臂動作擺動或者轉(zhuǎn)動，手爪的動作為伸縮和松夾。由于此機(jī)械手的動作要求旋轉(zhuǎn)不同的工件，所以實現(xiàn)上下料過程也要求手腕能旋轉(zhuǎn)動作。 多種方案分析 通過以上分析，這里初選三個方案，各方案如下： 方案一：機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，采用電動機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用電動機(jī)實現(xiàn)。 方案二：機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，采用電動機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)，小手臂的伸縮用齒輪條實現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用電動機(jī)實現(xiàn)。 方案三：機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，采用擺液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)，大手臂的俯仰采用擺動液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用擺液壓缸實現(xiàn)。 2.2方案的確定 通過方案一，方案二和方案三的比較分析可知，方案一從功能上講可以滿足條件，但電動機(jī)的造價太高，不太經(jīng)濟(jì)。方案二中也存在上述的問題。同時齒輪齒條的驅(qū)動精度太低，在抓取工件時定位不夠準(zhǔn)確，而且結(jié)構(gòu)大而復(fù)雜。方案三中，由液壓缸來完成的部分，不僅驅(qū)動力大且結(jié)構(gòu)也相對簡單，擺動缸結(jié)構(gòu)尺寸大但輸出轉(zhuǎn)矩大，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而得出方案三最佳，并最終確實此次的設(shè)計方案為方案三，方案如下： 機(jī)身旋轉(zhuǎn)、手腕轉(zhuǎn)動，均采用擺缸來控制，手臂的伸縮用伸縮缸控制，而爪的松夾用夾緊缸來控制。 2.3動作原理 本次設(shè)計是液壓驅(qū)動，電氣控制。機(jī)械手的各個動作是由液壓缸來驅(qū)動的，其動作過程是由液壓缸的各個動作運(yùn)動至終點時壓合行程開關(guān)，將行程開關(guān)的機(jī)械運(yùn)動通過PLC轉(zhuǎn)化為電磁閥得電和失電，后由電磁閥控制各油路的通斷，以實現(xiàn)各液壓缸的相應(yīng)運(yùn)動，從而控制機(jī)械手的和個動作。 2.4 主要技術(shù)指標(biāo) （1）最大抓取重量：15Kg； （2）工件最大尺寸（長×寬×高）250×170×140mm （3）最大操作范圍：提升高度1.5m；回轉(zhuǎn)半徑1m；行走范圍≤30m； （4）機(jī)械手的自由度：4~5個； （5）定位精度：0.5~1mm； （6）裝料高度：1050mm；輸送軌道寬度：350mm；輸送速度：20m/min （7）生產(chǎn)綱領(lǐng)：10萬件/年；生產(chǎn)節(jié)拍：3min/件； （8）性能要求：抓取靈活，送放平穩(wěn)，安全可靠，壽命不低于15年； 3手部的設(shè)計 3.1手部結(jié)構(gòu) 手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來直接握持工件的部分，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等不同，所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計的。歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可以分成夾持和吸附兩大類。 夾持手部按其手指夾持工件時的運(yùn)動方式，可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種。 平移型手指的張開和閉合靠手指的平行移動，適用于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時，不會引起中心位置的偏移。所以選擇平移型手指。 由于工件為方料，而平移型手指適于夾持平板和方料，故本設(shè)計選用平移型十指。移動型即兩手指相對支座往復(fù)移動。 其驅(qū)動力為：F=2FN 3.2手爪的計算與分析 3.2.1手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計算 一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手爪對工件的夾緊力： FN≥K1K2K3G 式中K1—安全系數(shù)，通常取1.2～2.0； K2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估算 K2=1+ 運(yùn)載工件重力方向的最大上升加度； g—重力加速度，g=9.8m/s2 a= vmax—運(yùn)載工件時重力方向的最大上升速度； t響—系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間；根據(jù)設(shè)計參數(shù)選取。一般取0.03～0.5s。 K3—方向系數(shù)，由于手爪是水平放置夾持水平放置工件，v形指端夾圓形工件， 由<<機(jī)械設(shè)計手冊第五卷>>表2-1得: 取K3=0.5。 G—被抓持工件的重量，G=15×9.8=147N 代入數(shù)據(jù)，計算得 FN=K1K2K3G =1.5×1.02×0.5×147N=112.45N≈112N 查<<機(jī)械設(shè)計手冊第五卷>>表2-1得： 驅(qū)動力：F計算=2 FN=224N 取η=0.85 F實際==224/0.85N=264N 3.2.2 手爪的夾持誤差分析與計算 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手定位精度，而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。為適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，必須注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍。在機(jī)械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過±1mm就可以了。 4腕部的設(shè)計 4.1腕部結(jié)構(gòu) 手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的運(yùn)動范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。 手腕部件具有獨(dú)立的自由度。 手腕運(yùn)動有：繞X軸轉(zhuǎn)動稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動；繞Y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動（或俯仰）；繞Z軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動；甚至沿著Y軸（或Z軸）的橫向移動。 采用一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。 4.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 腕部回轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力矩用來克服腕部摩擦力矩、工件重心偏移力矩和慣性力矩。受力分析和圖所示。 圖2 腕部回轉(zhuǎn)受力分析圖 手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力矩大小可以按下式計算： M驅(qū)=kf（M摩+M偏+M慣） kf—考慮驅(qū)動缸密封摩擦損失的系數(shù)，通常kfbc 1.1～1.2； M偏—工件重心偏執(zhí)引起的偏置力矩（N·m）； M摩—腕部轉(zhuǎn)動支撐處的摩擦阻力矩（N·m）； M慣—克服啟動慣性所需的力矩（N·m）； （1）腕部轉(zhuǎn)動支撐處的摩擦阻力矩： f—軸承的摩擦系數(shù),滾動軸承f=0.02，滑動軸承f=0.1； N1，N2—軸承處支承反力（N）； D1，D2—軸承直徑（m）； （2）工件重心偏置引起的偏置力矩： M偏=G1e G1—工件重量； e—偏心矩（m ）(即工件重心到腕部回轉(zhuǎn)中心線垂直距離)； 由于工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心重合，故M偏=0。 （3）克服啟動慣性所需的力矩： M慣=（J+J工件） J—手腕回轉(zhuǎn)對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（KG·M2）； J工件—工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（KG·M2）； ω—腕部回轉(zhuǎn)角速度（rad/s）； t—啟動過程所需的時間（s），此處假定啟動過程均為加速運(yùn)動， 一般取0.05～0.3s。 查<<機(jī)械設(shè)計手冊第五卷>>表3—1有： J=M（a2+b2）/12=（a2+b2）/12 取G=15×9.8=147N ∴J=15×（0.22+0.22）/12KG·M2 =0.1 KG·M2 根據(jù)經(jīng)驗取J工件=0.5J=0.1 KG·M2 ∴M慣=（J+ J工件） =0.3×N·m=1.9 N·m M偏=0 取M摩=0.1 M驅(qū) 又M驅(qū)=kf（M摩+M偏+M慣） =1.2×（0.1 M驅(qū)+0+1.9） ∴M總=2.61 N·m 圖3 回轉(zhuǎn)缸筒圖 1-定片 2-缸體 3-動片 4-密封圈 5-轉(zhuǎn)軸 5手臂的設(shè)計 5.1手臂伸縮液壓缸的設(shè)計計算 5.1.1手臂作水平伸縮直線運(yùn)動驅(qū)動力的計算 手臂做水平伸縮運(yùn)動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。 其驅(qū)動力F驅(qū)可按下式計算： F驅(qū)=F摩+F慣（N） 式中F摩—各支承處的摩擦阻力； F慣—啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算： F慣=a(N) 式中W—手臂伸縮部件的總重量（N）； g—重力加速度（g=9.8m/s2）； a—啟動過程中的平均加速度（m/s2）， 而 a=（m/s2） △ν—速度變化量。手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度量就毛等于手臂的工作速度； △t—啟動過程中所用的時間，一般為0.01～0.5s。 5.1.2手臂垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力的計算 手臂作垂直運(yùn)動時，除克服摩擦阻力F摩和慣性力F慣之外，還要克 服臂部運(yùn)動部件的重力，故其驅(qū)動力F驅(qū)可以按下式計算： F驅(qū)=F摩+F慣±W（N） 式中F摩—各支承處的摩擦力（N）； F慣—啟動時的慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動時的情況計算； W—臂部部件的總重量（N）； ±—上升時為正，下降時為負(fù)。 當(dāng)F摩=100N，F(xiàn)慣=133N，W=1300N時 F慣=100+ ×+1300=1533(N) 5.1.3確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸的內(nèi)徑的計算，當(dāng)油進(jìn)入無桿腔，活塞推力 F=F1η=Pη 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔活塞推力 F=F2η=Pη 液壓缸有效面積 D=(無桿腔) 式中F—驅(qū)動力（N） P1—液壓缸的工作壓力（Pa） d—活塞桿的直徑（m） D—液壓缸的內(nèi)徑（m） η—液壓缸的機(jī)械效率，在工程機(jī)械中可用耐油橡膠 可取η=0.95 ∴D==0.059m 查<<液壓傳動與控制手冊>>表4-3，4-4圓整 取D=80mm,d=45mm 查<<液壓傳動與控制手冊>>表4-2和表4-3得 液壓缸工作壓力的選取一般取2～8MPa ∴液壓缸的工作壓力是1533N 液壓缸的內(nèi)徑80mm 5.1.4液壓缸壁厚計算 三種壁厚的公式選取中等壁厚： δ=+C 式中P1—液壓缸內(nèi)工作壓力（Pa） C—入管壁公差及侵蝕的附加厚度值 D—液壓缸內(nèi)徑（m） б—缸筒材料的許用應(yīng)力，應(yīng)按壁厚圓筒公式驗算壁厚 取[б]=100MPa； ∴δ==0.7×10-3m 查<<液壓傳動與控制手冊>>表4-4得液壓缸外徑為95mm 5.1.5活塞桿的計算 活塞桿的尺寸要滿足活塞運(yùn)動的要求和強(qiáng)度的要求。對于桿長1大于直徑d的15倍（即1＞15d）的活塞桿必須具有足夠的穩(wěn)定性。 按強(qiáng)度條件計算決定活塞桿直徑d ∴d≥ P=100～120MPa ∴d≥=0.004m（d=45mm） 滿足強(qiáng)度要求 又已知手臂伸縮行程600mm，即1=600mm 1＜15d=675 ∴活塞桿的穩(wěn)定性校核無需進(jìn)行 5.1.6液壓缸端蓋的聯(lián)接方式與強(qiáng)度計算 當(dāng)液壓缸缸體的材料先用無縫鋼管時，它的端蓋連接方式多采用半環(huán)聯(lián)接，優(yōu)點是加工和裝卸方便，缺點是缸體開環(huán)槽削弱了強(qiáng)度。 5.1.6缸蓋螺釘計算 查《液壓傳動與控制手冊》表4-1 工件壓力為 P=2MPa ∴螺間距t1＜120mm 取t1=100mm 又 FQ0=FQ+FQS FQ== FQ0—螺栓所受的總接力 FQ—工作載荷 F—驅(qū)動力（N） FQS—加載后被連接件結(jié)合面之間的剩余緊力 FQS =K FQ K=1.5～1.8 Z—螺釘數(shù)目 P—工作壓力（Pa） D—危險剖面直徑 取Z=4 又Z= ∴D0===0.13m ∴D0=0.14m ∴FQ ==7693N ∴FQS=K FQ=1.6×7693=12308N FQ=7693+12308=20001N 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件 б合=≤[б] [б]= 抗拉許應(yīng)力（單位MPa） n=1.2～1.5 取n=2 бs取45鋼為360MPa ∴[б]==180MPa ∴d1==8.11cm 取d1=100cm 5.1.7缸體螺紋計算 d1≥ 取k1=1.3 D=80mm d1=100mm d1≥0.08m 聯(lián)接半環(huán)的計算 半環(huán)的剪切強(qiáng)度條件 t=≤[t] D1=D+2d=80+20=100mm [t]=0.75×180×106=135MPa l≥PD1/4[t]=2×106×0.1/4×135×106=0.37mm 取l=10mm 半環(huán)的擠壓強(qiáng)度條件 бc=≤[б]jy [б]jy—材料的許用擠壓應(yīng)力（Pa）； h—半環(huán)的徑向高度（m）； ∴滿足條件 5.2手臂俯仰運(yùn)動的設(shè)計計算 5.2.1手臂俯仰時所需的驅(qū)動力矩 驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩M驅(qū)，應(yīng)該與手臂起動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣及各密封裝置處的摩擦阻力矩M封相平衡。 M驅(qū)=M慣+M封 式中M封—密封裝置處的摩擦力矩（N·m） 需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q： Q=L/min Z-葉片數(shù)，Z=1 D—回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑，D=15cm D—輸出軸與動片連接處的直徑，d=6cm b—動片寬度，b=12cm ω—輸出軸的角速度，ω=0.187rad/s ∴Q==3.18L/min 驅(qū)動力矩M驅(qū)= = =567 N·m d1≥=8.11cm 5.2.2缸蓋聯(lián)接螺釘計算和動片聯(lián)接螺釘計算 螺釘?shù)拈g距取60mm Z===9.42 取Z=10 工作載荷：F== ==3532.5N 缸蓋聯(lián)接螺釘直徑d1： d1≥=0.57cm 取d1=8mm 5.2.3動片聯(lián)接螺釘?shù)挠嬎? FQ=(D2-d2) = =12600N 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為б合=≤[б] 又FQj=1.3 FQ=1.3×12600=16380N [б]=1800kg/cm2 ∴d1≥==3.4cm 取d1=16mm 式中 FQ—每個螺釘?shù)念A(yù)緊力（N） b—動片的寬度（m） p— 回轉(zhuǎn)液壓缸的工件壓力（Pa） d—動片與輸出軸配合處的直徑 D—動片外徑（m） z—螺釘數(shù)目 d1—螺釘?shù)牡讖剑╩） [б]—螺釘材料的許用應(yīng)力（Pa） 6.機(jī)身設(shè)計 機(jī)身是直接支承和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的驅(qū)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿著地面或空軌道運(yùn)動。 機(jī)身具有獨(dú)立的自由度。 采用一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的機(jī)身結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而背廣泛采用。 6.1機(jī)身結(jié)構(gòu)的計算 機(jī)座回轉(zhuǎn)時，驅(qū)動力矩用來克服機(jī)身摩擦力矩、機(jī)身重心偏移力矩和慣性力矩。 機(jī)座回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力矩大小可以按下式計算： M驅(qū)= kf（M摩+ M偏+ M慣） kf—考慮驅(qū)動缸密封摩擦損失的系數(shù)，通常kf取1.1～1.2 M偏—機(jī)身重心偏置引起的偏置力矩（N·m）； M摩—機(jī)座轉(zhuǎn)動支撐處的摩擦阻力矩（N·m）； M慣—克服啟動慣性所需的力矩（N·m）； 機(jī)座轉(zhuǎn)動支撐處的摩擦阻力矩： M摩=(N1D1+N1D2) f—軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承f=0.02，滑動軸承f=0.1； N1, N1—軸承處支承反力（N）； D1，D2—軸承直徑（m）； 機(jī)身重心偏執(zhí)引起的偏置力矩： M偏= G1e G1—機(jī)身重量 e—偏心距（m）（即機(jī)身重心到機(jī)身回轉(zhuǎn)中心線垂直距離）； 由于機(jī)身重心與機(jī)身回轉(zhuǎn)中心重合，故M偏=0。 克服啟動慣性所需的力矩： M慣=（J+ J工作） J—機(jī)座回轉(zhuǎn)部分對機(jī)身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)慣量（kg·m2）； J工作—機(jī)身對機(jī)身回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m2）； ω—機(jī)座回轉(zhuǎn)角速度（rad/s） t—啟動過程所需的時間（s），此處假定啟動過程為勻加速度運(yùn)動，一般取0.05～0.3s。 查<<簡明機(jī)械工程手冊>>表3-1有： J=m(a2+b2)/12=(a2+b2)/12 取G=2500N ∴J=2500/9.8×（1.62+0.62）/12 kg·m2 =62 kg·m2 根據(jù)經(jīng)驗取J工作=0.5J=31 kg·m ∴M慣=（J+ J工作） =93×N·m=586 N·m M偏=0 取M摩=0.1 M驅(qū) 又M驅(qū)= kf（M摩+ M偏+ M慣） =1.2 ×（0.1M驅(qū)+0+586） ∴M總=800 N·m 6.2機(jī)身設(shè)計時應(yīng)注意的事項 應(yīng)使機(jī)身具有足夠的風(fēng)度和穩(wěn)定性； 應(yīng)使機(jī)身運(yùn)動的位置精度高，動作靈活； 應(yīng)使機(jī)身結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)緊湊，便于維修； 要求缸體剛度和強(qiáng)度要大。 7機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理 7.1液壓系統(tǒng)的組成 液壓傳動系統(tǒng)由以下幾個主要部分組成：油泵、液壓機(jī)、控制調(diào)節(jié)裝置、（如單向閥、洋流閥、換向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等）輔助裝置。 7.2液壓傳動系統(tǒng)機(jī)械手的特點 液壓驅(qū)動系統(tǒng)的特點，由于液壓技術(shù)是一個比較成熟的技術(shù)，它具有動力大（或力矩）慣性比大，快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等特點，適用于承載能力大、慣性大以及在防爆環(huán)境中工作的機(jī)械手。 機(jī)械手采用液壓傳動比采用氣壓傳動有如下優(yōu)點： 1)能得到較大的輸出力和力矩 2)液壓傳動滯后現(xiàn)象下，反應(yīng)較靈活，傳動平穩(wěn) 3)輸出力和運(yùn)動速度控制較容易 4)可達(dá)到較高的定位精度 5)但液壓傳動也有缺點： 6)系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能 7)油液的粘度對溫度的變化很敏感，當(dāng)溫度升高時，油的粘度即顯著降低，油液粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。 7.3油缸泄漏問題與密封裝置 機(jī)械手由于油缸泄漏嚴(yán)重，壓力不能提高，工作性能不穩(wěn)定，以致影響機(jī)械手的正常使用。因此，為了保證機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作性能，在各油缸的相對運(yùn)動表面和固定連接斷面的進(jìn)行密封。以防止壓力油從高壓腔泄漏到低壓油或泄漏到缸體外面。 目前，機(jī)械手液壓系統(tǒng)使用的密封大多采用耐油橡膠制成的各種形式密封圈，作為動密封和靜密封，以保證兩結(jié)合面的密封性。 密封圈在配合面間的密封作用，主要是借安裝時的預(yù)壓和工作時由油液壓力的作用，使密封圈變形并壓緊密封表面達(dá)到目的。 7.3.1活塞式油缸的泄漏與密封 對于實現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動的活塞缸來說，其泄漏主要是活塞與缸臂處的內(nèi)泄漏及復(fù)活塞桿與缸蓋處的泄漏。引起泄漏的原因是加工和滑動面光潔度不高，以及控制裝置不良所致。 對于活塞油缸的靜密封，主要采用O型密封圈，它既可以用外徑或內(nèi)徑密封，也可以用端面密封。 O型密封圈裝在溝槽中，因愛油壓作用而變形，并張緊溝槽和間隙，從而起到密封的作用，因此它的密封性能隨壓力的增加而提高。但是，當(dāng)壓力過高或溝槽尺寸選擇不當(dāng)時，密封圈很容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。這克服這個缺點，當(dāng)油缸油液的壓力大于100kg/cm2時，要在O型密封圈側(cè)放置擋圈，在壓力低于100 kg/cm2時，一般不加擋圈。在手臂伸縮油缸和手臂俯仰油缸中都用了Y型密封圈，Y型密封圈在工作時壓力油液把Y型密封圈的唇邊緊緊壓在相對運(yùn)動的兩配合面上，并隨著油液壓力的增高而提高密封性能，并能補(bǔ)償磨損的影響，所以裝配時唇邊要對壓力油腔。在一般情況下，Y型密封圈可直接裝入溝槽內(nèi)即可引起密封作用，但在壓力變動較大，滑動速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈。 7.3.2回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封 手臂回轉(zhuǎn)油缸中，由于動片與缸體，動片與輸出軸，動片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的泄露，使湍流的壓力降低，減少了輸出扭矩，達(dá)不到設(shè)計要求，主要的是采用密封裝置進(jìn)行密封。 經(jīng)反復(fù)考慮，選擇矩形橡膠密封圈組成回轉(zhuǎn)油罐的密封結(jié)構(gòu)，其中擋圈的作用是防止高壓油將橡膠密封圈擠入配合間隙，以保證密封性并延長密封圈的使用壽命。 7.4液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 7.4.1各液壓缸的換向回路 為方便機(jī)械手的自動化控制，如采用可編程器或微機(jī)進(jìn)行控制，從工況圖中可知系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經(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、手臂俯仰和手臂回轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)供油，這樣可以有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運(yùn)動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動，換向閥需采用中位“O”型換向閥。 7.4.2調(diào)整方案 整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設(shè)計要求的。盡管有的液壓缸是單一工作，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)整，用以保證液壓缸運(yùn)行的平穩(wěn)性。各缸可選擇進(jìn)油路或回油路節(jié)流調(diào)整，因為系統(tǒng)為中低系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥高速。 機(jī)械手的手臂伸縮和手臂俯仰或升降缸采用兩個單身節(jié)流閥來實現(xiàn)。若只用一節(jié)流速高速時，則進(jìn)行油達(dá)到最大允許高速來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。當(dāng)無桿腔進(jìn)油時，其速度就少于最大允許速度，但仍然符合設(shè)計需要。 在一般情況下，機(jī)械手的各個部位是分別動作，手腕回轉(zhuǎn)和手臂回轉(zhuǎn)缸（或升降）所需的流量較為接近，手腕回轉(zhuǎn)缸和手臂回轉(zhuǎn)缸及夾緊缸所需流量較為接近，且它們兩組缸所需的流量相關(guān)較大，這樣不但可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可以選擇雙泵系統(tǒng)。 單泵供油系統(tǒng)要以所愿液壓缸中需流量大的來選擇泵的流量。優(yōu)點是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經(jīng)濟(jì)性好。缺點是當(dāng)所需流量較少的液壓缸動作時，系統(tǒng)的溢流損失較大，能源利用率較低。對于系統(tǒng)功率較小的場合是可取的。本設(shè)計選用雙泵供油。 7.4.3減速緩沖回路 通用工業(yè)機(jī)械手要求可變行程，它是由微機(jī)控制，可在行程中任意點定位，故應(yīng)在液壓系統(tǒng)中采用緩沖裝置，形成緩沖回路。 7.4.4系統(tǒng)安全可靠性 手臂俯仰缸（或手臂升降缸）在系統(tǒng)失壓情況下會自由下落或超速下行，所以應(yīng)在回路中增加平衡回路，方法可用單向順序閥做平衡閥，手臂伸縮缸有俯仰狀態(tài)時，變應(yīng)同樣考慮。為防止夾緊缸壓力系統(tǒng)壓力波動的影響過高，導(dǎo)致夾緊力過大損壞工作，或過低無法夾緊工作，造成意外的安全事故，需在沿路上增加減壓閥保證夾緊缸的壓力恒定不變。 機(jī)械手的動作分析 表1 工業(yè)機(jī)械手所用液壓元件一覽 序號 元件名稱 型號 數(shù)量 1 濾油器 XU-1337-50 1 2 濾油器 XU-13327-75 1 3 小流量泵 YB-32 1 4 大流量泵 YB-80 1 5 溢流閥 Y-32J 1 6 溢流閥 Y-80J 1 7 單向閥 I-50 3 8 壓力表開關(guān) K-3B 1 9 壓力表 Y-60 1 10 電磁換向閥 22D-50B 2 11 減壓閥 J-10 1 12 電磁換向閥 23D-20B 1 13 電液換向閥 23DY-63B 1 14 單向溢流閥 QI-63B 2 15 電液換向閥 34DY-63B 2 16 單向溢流閥 QI-63B 2 17 電磁換向閥 24D-25B 1 18 單向溢流閥 QI-130B 4 19 單向順序閥 XI-160B 1 20 電磁換向閥 23D-100B 1 對機(jī)械手的各個動作分析如下： （1）手指夾緊與松開 夾緊：電磁鐵13DT通電，換個閥的右位接入系統(tǒng)，手指在液壓缸的作用下夾緊。 松開：電磁鐵14DT斷電，換向閥的左位接入系統(tǒng)，手指在液壓缸的作用下松開。 （2）手臂上下擺動 電磁鐵11DT通電時，換向閥左位接入系統(tǒng)，手臂在液壓缸的驅(qū)動下可快速向上擺動，電磁鐵10DT、11DT通電可完成上擺動緩沖，電磁鐵11DT、12DT通斷電可控制手臂的上下擺動方向。電磁鐵11DT斷電，12DT通電。手臂可實現(xiàn)快速向下擺動。 （3）手腕回轉(zhuǎn)擺動 電磁鐵2DT通電，換向閥的左位工作 ，手腕在回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動下快速回轉(zhuǎn)，電磁鐵2DT、3DT的通、斷電可控制手腕的回轉(zhuǎn)方向。 若2DT斷電，3DT通電手腕逆時鐘快速轉(zhuǎn)動。 （4）手臂回轉(zhuǎn) 電磁鐵鐵8DT通電時換向閥的左位工作，手臂在擺缸的驅(qū)動下可快速回轉(zhuǎn)，電磁鐵8DT、9DT的通、斷電可控制手腕的擺動方向。 若8DT斷電，9DT通電，換向閥的右位接入系統(tǒng)，手臂逆時鐘快速擺動。 (5) 手腕擺動 電磁鐵5DT通電是，換向閥左位接入系統(tǒng)，手腕在液壓缸的驅(qū)動下可以快速擺動，電磁鐵5DT、6DT的通、斷電可以控制手腕擺動的方向。 若電磁鐵5DT斷電，6DT通電，手逆時鐘方向快速擺動。 參考文獻(xiàn) [1]李允文.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計[M].北京.機(jī)械工業(yè)出版社，1994. 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