畢業(yè)設(shè)計（論文）五自由度液壓搬運機械手

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1、哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 五自由度液壓搬運機械手設(shè)計 摘要 本設(shè)計的內(nèi)容是對五自由度液壓搬運機械手的總體外形進(jìn)行設(shè)計，運動范圍進(jìn)行規(guī)劃，運動路線的調(diào)整，及其本機械手的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，液壓路線圖中的所用原件進(jìn)行精心選取，之后進(jìn)行油路的設(shè)計，首先，本任務(wù)書對機械手在現(xiàn)代社會中的作用以及現(xiàn)在的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了簡單介紹，其中還包括了機械手的研究意義，機械手相比于人手所具有的一系列優(yōu)點。對總體方案進(jìn)行了設(shè)計，確定設(shè)計一種五自由度搬運機器手，包括機器手的總體設(shè)計，移動方式設(shè)計，動作規(guī)劃設(shè)計，三維造型設(shè)計等。其次，對機械手本身的一些基本技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了確定，并且初步規(guī)劃出了總體外觀簡圖，用AUTOCA

2、D軟件繪制了液壓原理圖，此原理圖的各個原件的選取在后來的計算中得以確定，然后在第4章進(jìn)行了各個部分的具體計算，其中包括了手部夾持器的計算，腕部回轉(zhuǎn)油缸計算，小臂結(jié)構(gòu)的的設(shè)計，俯仰缸的伸縮數(shù)據(jù)的確定，大臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計，大臂升降機構(gòu)的設(shè)計，手部驅(qū)動油缸油孔尺寸計算，腕部回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定，大臂回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定，大臂升降油缸油孔尺寸確定，伸縮臂油缸油孔尺寸確定，在各個油缸選定之后，現(xiàn)在可以對油缸活塞桿進(jìn)行校核，第5章對活塞桿進(jìn)行了校核，其中包括手部驅(qū)動油缸活塞桿校核，腕部回轉(zhuǎn)油缸活塞桿校核，伸縮油缸活塞桿校核，俯仰油缸活塞桿校核。最后，在各個數(shù)據(jù)最終確定后，本設(shè)計還對機械手的三維效果圖在第6

3、章進(jìn)行了繪制。 關(guān)鍵詞　機械手；五自由度；搬運；液壓 The design of five freedom degrees hydraulic porterage machine hand Abstract The contents of this design is the total shape that transports a machine hand to five freedom degrees hydraulic to carry on a design, exercise the scope carry on a programm

4、ing, sport route of adjustment, and it originally driving of machine hand the system carry on designing, the component used in the hydraulic route diagram carries on with meticulous care selection, after carry on the design of oil road, first, this task book to machine hand at modern social in of fu

5、nction and the development present condition in nowadays carried on simple introduction and still included the research meaning of machine hand among them, machine palm reading compare at a series of advantage had by hand.Carried on a design to the total project, made sure to design a kind of five f

6、reedom degrees porterage machine hand, including the total design of machine hand, move a way design, the action programed a design, the 3D shape designs etc..Carried on an assurance to some basic technique parameters of the machine hand secondly, and the first step programed total external appearan

7、ce sketch plan, drew hydraulic principle with the AUTOCAD software diagram, this the selection of each component of the principle diagram can make sure in the later calculation, then as for concrete calculation that carried on each part in chapter 4, calculation included a hand to clip and hold a ma

8、chine among them, the wrist department turns round an oil urn and computes, small arm structure of of design, the flexible data of the urn of Fu Yang really settle, the big arm turns round an oil urn of design, the big arm ascends and descends organization of design, the hand drives an oil urn oil b

9、ore the size compute, wrist department turn round oil urn oil bore size assurance, the big arm turns round oil urn oil bore size assurance, the big arm ascends and descends oil urn oil bore size assurance, flexible arm oil urn oil bore size assurance, after the each oil urn makes selection, now can

10、to oil urn the piston pole carry on school pit, chapter 5 carried on school to the piston pole pit, include a hand and drive oil among them urn piston pole school pit, wrist department turn round oil urn piston pole school pit, flexible oil urn piston pole school pit, Fu Yang oil urn piston pole sch

11、ool pit.End, at each piece according to after the end assurance, this design still carried on to draw in chapter 6 to the 3D effect diagram of machine hand. Keywords robot hand; five freedom degree; portage; hydraulic pressure 不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 - III - 目錄 摘要 I Abstract II 第1章 緒論 1 1.1課題背

12、景及研究現(xiàn)狀 1 1.2 機械手的研究意義及其本身優(yōu)點 2 1.2.1 機械手的研究意義 2 1.2.2 機械手本身的優(yōu)點 2 1.3本章小結(jié) 3 第2章 總體方案設(shè)計 4 2.1設(shè)計目標(biāo) 4 2.2總體方案分析 4 2.2.1搬運機械手的組成 4 2.2.2三大系統(tǒng)設(shè)計分析 4 2.3搬運機械手的運動及驅(qū)動方式 5 2.4本章小結(jié) 7 第3章 基本參數(shù)及二維外觀圖 8 3.1基本參數(shù) 8 3.2總體外觀圖 8 3.2.1外觀圖簡圖 8 3.2.2液壓原理設(shè)計圖截圖 9 3.3本章小結(jié) 10 第4章 各部分的具體計算 11 4.1 手部夾持器的計算 11

13、 4.1.1手部夾持器設(shè)計要求 11 4.1.2手部夾持器設(shè)計計算 11 4.1.3端蓋螺釘校核 12 4.2腕部回轉(zhuǎn)油缸計算 13 4.3小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 4.4俯仰缸設(shè)計 20 4.5大臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 22 4.6大臂升降結(jié)構(gòu)設(shè)計 24 4.7手部驅(qū)動油缸油孔尺寸計算 26 4.8腕部回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 26 4.9大臂回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 27 4.10大臂升降油缸油孔尺寸確定 27 4.11伸縮臂油缸油孔尺寸確定 27 4.12本章小結(jié) 28 第5章 各油缸活塞桿校核 29 5.1 手部驅(qū)動油缸活塞桿校核 29 5.2 腕部回轉(zhuǎn)油缸活塞桿校核 29

14、 5.3 伸縮油缸活塞桿校核 30 5.4 俯仰油缸活塞桿校核 30 5.5 本章小結(jié) 31 第6章 總體三維圖 32 6.1 總體三維圖 32 6.2 本章小結(jié) 33 結(jié)論 34 致謝 35 參考文獻(xiàn) 36 附錄 38 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 - V- 第1章 緒論 1.1課題背景及研究現(xiàn)狀 機器人是典型的機電一體化裝置，它綜合運用了機械與精密機械、微電子與計算機、自動控制與驅(qū)動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，隨著經(jīng)濟

15、的發(fā)展和各行各業(yè)對自動化程度要求的提高，機器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機器人產(chǎn)品。機器人產(chǎn)品的實用化，既解決了許多單靠人力難以解決的實際問題，又促進(jìn)了工業(yè)自動化的進(jìn)程。目前，由于機器人的研制和開發(fā)涉及多方面的技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)和研制的成本普遍較高，在某種程度上限制了該項技術(shù)的廣泛應(yīng)用，因此，研制經(jīng)濟型、實用化、高可靠性機器人系統(tǒng)具有廣泛的社會現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。 機械手自六十年代以來問世以來，發(fā)展非常迅速。目前，第二代產(chǎn)品，微機控制、直流電動機驅(qū)動的小型工業(yè)機械手已成產(chǎn)品。 美國是最早研制和應(yīng)用機械手的國家，早在1967年就定型批量生產(chǎn)了UNIMATE4000型前身。19

16、69年美國通用汽車公司自行研制了 SAM工業(yè)機械手，并用21臺機器手組成了點焊轎車車身的自動生產(chǎn)線。70年代，美國克萊斯勒汽車公司的32條沖繩自動線的448臺沖床，全部采用了機械手傳送工件。 日本機械手工業(yè)雖比美國起步晚（六十年代后期），但是發(fā)展速度更快，根據(jù)統(tǒng)計，1982年日本擁有工業(yè)機械手共13000余臺，生產(chǎn)廠家近200家。 此外，瑞典、挪威、德國、意大利、俄國等國家也是發(fā)展迅速，例如挪威的TRLLFA公司生產(chǎn)的機械手，瑞典的ASEA公司、ELECTROLUX公司和KAVIELDT公司生產(chǎn)的機械手，德國的VOLKSVAGEN公司生產(chǎn)的機械手在歐洲市場，甚至在北美市場都占有很大的比重。

17、 工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，提高 勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁，單調(diào)的操作，如果沒有機械手那么工人的勞動強度是很高的，有時候還要用行車員工件，生產(chǎn)速度大大延緩，這種情況采用機械手是很有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染環(huán)境條件上進(jìn)行操作。更顯其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 工業(yè)機械手的主要應(yīng)用領(lǐng)域是機械加工過程中的上、下料及搬運、裝配、焊接、沖壓、樹脂成型加工及其熱處理、鍛壓等。 表1-1機械手在各個行業(yè)所占比例（%） 年份 裝

18、 配 弧焊 噴漆 點焊 樹脂成型 鍛鑄熱處理 機械加工 其他 2000 9.8 7.3 4.9 11.4 7.3 20.4 22.8 16.1 2005 16.5 11，0 4.9 9.6 4.5 22.2 14.2 22.2 2010 21.7 10.5 5.1 7.5 3.3 22.3 13.1 16.5 1.2 機械手的研究意義及其本身優(yōu)點 1.2.1 機械手的研究意義 機械人手技術(shù)是近30年來發(fā)展比較快的一種新技術(shù)，機械手是一門新興的的綜合性科學(xué)，

19、他設(shè)計機械設(shè)計制造控制工程計算機傳感技術(shù)仿真生學(xué)，人工智能等領(lǐng)域，工業(yè)機械手是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要設(shè)備，它本身是機電一體化的典型產(chǎn)品。 工業(yè)機械手能模仿人肢體的一些動作，可以代替人的一些動作，代替人們進(jìn)行工作，一次機械手自問世以來就受到人們的寵愛而且性能不斷完善，各種優(yōu)良的機械手不斷出現(xiàn)操作越來越靈活，在一些方面與人手相比，幾乎達(dá)到了以假亂真的程度，加之各種技能的應(yīng)用，使得機器人有了 自己的頭腦能不受控制而獨立的處理一些問題，因此其應(yīng)用越來越廣泛。 1.2.2 機械手本身的優(yōu)點 搬運機械手是機器人家族中的重要一員，其應(yīng)用最廣泛，在自動化流水線生產(chǎn)中勞動強度最大，

20、工作條件差，熱塵煙霧毒氣等使得環(huán)境惡化，使得人的工作受到了種種限制，此時搬運機械手則能夠迎難而上，獨樹一幟，而且其能不知疲倦的工作，搬運機械手具有許多人沒法相比的優(yōu)點： （1）工作時間持久，不會出現(xiàn)人的疲勞，可以重復(fù)不間斷的勞動，能持流水線的持續(xù)工作。 （2）對環(huán)境的適應(yīng)性強，特別能在多粉業(yè)，以燃燒以爆炸放射性等惡劣環(huán)境下工作。 （3）運動靈活精確，能夠延伸到人手所不能到達(dá)的空間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工作，而不受外界因素的干擾。 （4）通用性好，本搬運機械手在設(shè)計過程中，考慮到其通用性，因此留有余地，因此除搬運外，還可以焊接噴漆等。 （5）工作效率高

21、，提高了勞動生產(chǎn)效率，同時也降低了成本。 諸多的優(yōu)點為機械人的廣泛應(yīng)用開辟了廣闊的前景，而我國在這些方面還處于初始階段，因此需要更進(jìn)一步發(fā)展，本次的設(shè)計是對大學(xué)四年所學(xué)知識的鞏固與綜合應(yīng)用。 1.3本章小結(jié) 本章介紹了五自由度液壓搬運機械手的設(shè)計研究背景及其研究現(xiàn)狀，列舉了一些國家的研究成果，重點講述了機械手的研究在現(xiàn)實中的應(yīng)用領(lǐng)域，還介紹了機械手的優(yōu)點及發(fā)展前景。 第2章 總體方案設(shè)計 2.1設(shè)計目標(biāo) 設(shè)計一種五自由度搬運機器手，包括機器手的總體設(shè)計，移動方式設(shè)計，動作規(guī)劃設(shè)計，三維造型設(shè)計等。 重點是機器手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即如何在綜合考慮機器人的功能

22、和特性要求后，能夠完整的設(shè)計出合理而優(yōu)化的機器手。 功能指標(biāo)包括：機械手的各部件的升降、轉(zhuǎn)動，對壓力的敏感反映等，使得機器人可以實現(xiàn)到達(dá)任何位置的升降、轉(zhuǎn)動，同時具有重量輕，穩(wěn)定性好等特點。 由于本設(shè)計并沒有工業(yè)實際的問題的要求，也就是沒有要功能模塊的具體設(shè)計，并且，設(shè)計者所希望的創(chuàng)新性也大過實用性。基于以上原因，本設(shè)計暫不考慮對于功能模塊的搭載問題，僅僅討論并設(shè)計一種合理可行、盡可能優(yōu)化了的五自由度液壓搬運機械手。 2.2總體方案分析 2.2.1搬運機械手的組成 控制系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 圖2-1組成框架圖 參考諸多的搬運機械手的設(shè)計理念，以及對于本題目——五自

23、由度搬運機械手的理解，現(xiàn)將總體分為五大部件，分別為：大臂升降結(jié)構(gòu)、大臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、伸縮臂結(jié)構(gòu)、小臂伸縮結(jié)構(gòu)、手爪回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、手爪伸縮結(jié)構(gòu)。 2.2.2三大系統(tǒng)設(shè)計分析 1．控制系統(tǒng) 此系統(tǒng)是控制驅(qū)動機構(gòu)工作從而實現(xiàn)按預(yù)定程序進(jìn)行工作的機構(gòu)，并通過位置檢測的反饋來檢測工作的精度，從而保證能正確實現(xiàn)機械手的運動，迅速準(zhǔn)確的完成機械手的運動，包括程序控制部分和行程反饋部分。 2．驅(qū)動系統(tǒng) 用來為各個部件的運動提供動力，是實現(xiàn)一切運動的動力來源，有氣動、液動電動和機械式四種形式，根據(jù)設(shè)計要求和各自的優(yōu)點和缺點，本機械手采用液壓驅(qū)動實現(xiàn)，五個自由度。 3．執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行機構(gòu)是完成各種動作的

24、總稱，具體包括以下幾個部分 （1）手部：直接與工件接觸的部分，根據(jù)設(shè)計要求，本機械手的手部用夾鉗式，用來抓取工件，或用來支撐焊條，噴槍（手部用法蘭連接，可以拆換，更換手部，以滿足工作需要） （2） 腕部連接手部和臂部的工件用來調(diào)整被抓取物體的方位 （3） 臂部：支撐被抓物體的手部和腕部的重要部件，帶動手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬運到指定位置。 （4） 腰部:機身是支撐機器手所有部件的部位及其零件，是整個機械手的基礎(chǔ)。 2.3搬運機械手的運動及驅(qū)動方式 1．機械手的運動 機械手的運動包括自由度數(shù)和運動范圍 本機械手采用雙抓，這是因為它具有以下優(yōu)點： (a) 運動靈活

25、 (b) 工作空間大 (c) 關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封，防塵 (d) 作效力大大的提高了 (e) 工作要求低 2．自由度數(shù) 自由度是機械手設(shè)計中的重要參數(shù)，每個運動部件所具有的獨立運動的數(shù)目稱為自由度，自由度是衡量機械手設(shè)計水平的重要指標(biāo)，自由度越多的機械手能完成的運動越復(fù)雜，技術(shù)難度越大，控制定位越困難，安裝越復(fù)雜，成本高，因此在具體問題中盡量減少自由度，本機械手是考慮到選用腕部來回轉(zhuǎn)，小臂伸縮，小臂俯仰，大臂回轉(zhuǎn)，大臂升降等5個自由度完全滿足工作要求。 3．運動范圍 關(guān)節(jié)3結(jié)構(gòu)的運動范圍和形狀取決于大臂和小臂的長度比，本機械手大臂長600mm，小臂長800mm，具體范圍見后圖。圖

26、中矩形為包容區(qū)域 圖2-2 機械手水平面的運動范圍 圖2-3 空間轉(zhuǎn)動范圍 4．運動傳動方式 運動傳動方式是將動力源的運動傳遞到實現(xiàn)自由度運動的過程，本設(shè)計中將直線油缸的直線運動轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)運動傳遞出去，針對結(jié)構(gòu)的需要和驅(qū)動力的大小，各自由度的運動采用不同的傳遞方式，大臂回轉(zhuǎn)，腕部回轉(zhuǎn)都采用回轉(zhuǎn)油缸，小臂俯仰、小臂伸縮、大臂升降都采用直線油缸。 5．機械手的驅(qū)動方式 采用液壓驅(qū)動的優(yōu)點是： （1） 速度反映性好 ; 因為被驅(qū)動部件的速度快慢取決于油液容積變化，所以當(dāng)不考慮溫度

27、變化的時候，被驅(qū)動系的滯后幾乎不存在，而且液壓機構(gòu)的重量輕，慣性小，他的速度反應(yīng)性好。 （2） 調(diào)速范圍大，還可以無極調(diào)速，適用于不同的工作要求。 （3） 傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)比較頻繁而平穩(wěn)換向。 （4） 在產(chǎn)生相同驅(qū)動力的條件下，液壓驅(qū)動比其他驅(qū)動方式體積小， （5） 定位精度高 （6） 驅(qū)動力或力矩大 存在的不利因素有： （1）液壓系統(tǒng)存在泄漏對機構(gòu)的穩(wěn)定性有一定的影響 （2）油液中如果混有空氣將降低傳動機構(gòu)的剛性，影響定位精度，產(chǎn)生爬行 （3）油液的溫度和黏度的變化影響傳動的性能 2.4本章小結(jié) 本章對總體方案的設(shè)計進(jìn)行了確定，規(guī)劃了搬運機械手的三大組

28、成部分，進(jìn)而對三大組成部分進(jìn)行了設(shè)計分析，確定了搬運機械手的運動方式及其驅(qū)動源，設(shè)計了運動范圍及回轉(zhuǎn)角度，對液壓驅(qū)動方式的優(yōu)缺點進(jìn)行了比較。 第3章 基本參數(shù)及二維外觀圖 3.1基本參數(shù) 1.名稱： 工業(yè)機械手 2.主要用途： 搬運 3.自由度數(shù)：5 （腕部轉(zhuǎn)動、小臂伸縮、小臂俯仰、大臂回轉(zhuǎn)、大臂升降 ） 4. 抓重：最大 5Kg 5．工作范圍與速度 工作范圍與速度如下表3-1 運動自由度 動作范圍 速度 腕部回轉(zhuǎn) -90—90 45/s 小臂伸縮 0—300mm 0.05m/s 小臂俯仰 0—100mm 0.05m/s

29、 大臂回轉(zhuǎn) -90—90 15/s 大臂升降 0—120mm 0.05m/s 6. 控制方式：PTP/CP 7. 重復(fù)定位精度：+2mm 8. 驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動 9. 驅(qū)動源 ：液壓油泵 3.2總體外觀圖 3.2.1外觀圖簡圖 圖3-1 機械手結(jié)構(gòu)簡圖 1—手腕 2—小臂 3—俯仰缸 4—大臂 3.2.2液壓原理設(shè)計圖截圖 圖3-5 液壓控制工作原理圖 表3-2電磁鐵動作循環(huán)表 現(xiàn)將本機械手的工作順序過程介紹如下： （1） 電磁鐵11通

30、電，大臂旋轉(zhuǎn)油缸順時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)大臂周向定位 （2） 電磁鐵9通電，大臂升降油缸伸出，實現(xiàn)大臂軸向定位 （3） 電磁鐵7通電，伸縮臂伸縮缸伸出，實現(xiàn)伸縮臂軸線定位 （4） 電磁鐵5通電，小臂伸縮缸伸出，實現(xiàn)小臂的軸向定位 （5） 小臂到達(dá)伸出一定距離，碰到行程開關(guān)14，之后將電磁鐵3接通實現(xiàn)手爪旋轉(zhuǎn)缸體的運動。 （6） 電磁鐵3通電，手爪旋轉(zhuǎn)缸順時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手爪的周向定位 （7） 電磁鐵1通電，手爪伸縮缸伸出，實現(xiàn)手爪的軸向定位 （8） 手爪抓取工件，工件與手爪夾緊到一定壓力，壓力繼電器通電使得電磁鐵1斷電，電磁鐵2通電手爪收縮，實現(xiàn)手爪的軸向定位。 （9） 電磁鐵4通電，手

31、爪旋轉(zhuǎn)油缸逆時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手爪的周向定位。 (10) 電磁鐵6通電，小臂伸縮油缸回縮，實現(xiàn)小臂的軸向定位。 （11）電磁鐵9通電，伸縮臂回縮，實現(xiàn)伸縮臂軸線定位。 （12）電磁鐵11通電，大臂升降油缸下降，實現(xiàn)大臂軸向定位。 （13）電磁鐵13通電，大臂旋轉(zhuǎn)油缸逆時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)大臂周向定位。 在參考了眾多機械手手部的結(jié)構(gòu)后，結(jié)合自己的設(shè)計要求，現(xiàn)在設(shè)計出如上圖的液壓機械手及其驅(qū)動液壓原理裝置。下面介紹各個液壓缸體的設(shè)計計算及其型號的選用，機械人手部結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計都有如下幾點基本要求： （1）應(yīng)具有足夠的夾緊力和驅(qū)動力，手爪握力（夾緊力）大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結(jié)

32、構(gòu)龐大，不經(jīng)濟；力量過小則會產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證夾持安全可靠； （2）手爪具有一定的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的角度）。 （3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 3.3本章小結(jié) 本章對機械手的基本參數(shù)進(jìn)行了確定，并且繪制出了總體外觀圖及液壓原理圖，同時對液壓原理圖的工作原理進(jìn)行了電磁鐵的動作表繪制，對工作周期做了具體介紹。 第4章 各部分的具體計算 4.1 手部夾持器的計算 4.1.1手部夾持器設(shè)計要求 1.

33、設(shè)計要求 夾持兩個棒料，每個不大于5kg 2. 各部分的長度 手腕： 300mm 手臂： 800mm 俯仰小臂： 200mm 大臂： 500mm 3. 手抓機構(gòu)分析 手部夾持器是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部位之一，它的主要用途是夾持工件或工具按規(guī)定的動作程序來完成制定的工作，它的加緊和伸開都是自動完成的。 手部夾持器應(yīng)具有以下幾點： （a） 足夠的夾緊力 （b） 保證工件在手指的準(zhǔn)確定位 ( c ) 能適應(yīng)工作環(huán)境所提出的要求 （d）保證在強度和剛度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重輕。抓起范圍：20毫米到50毫米的圓柱體工件其抓取原理圖如下：

34、 圖4-1 手爪工作原理圖 1—鉸接點 2—手指 3—工件 4.1.2手部夾持器設(shè)計計算 進(jìn)分析可知，此手抓作單支點運動，由此可知： （4-1） 力矩平衡： （4-2） N=100 (4-3) 夾緊力： （4-4）

35、 = = 150 P=2 =4N=600（N） =560(N) 為安全系數(shù)：1.1-1.2 取為=1.5 =1+a/g (抓取工件的最大加速度為 a=g) 為方位系數(shù) =0.5 =56kg 設(shè)液壓缸直徑為 D 、d為半徑。 （4-5） （

36、4-6） 4.1.3端蓋螺釘校核 彈簧剛度： k=3.53 n/m ,行程 ：15mm 彈簧總長： 30mm，活塞桿總長為 60mm 油的工作壓力： Q 預(yù)緊力： 總拉長： =111.4kgf (4-7) 相對剛度: =0.25, 總拉力需增加 30% 所以： （4-8） 4.2腕部回轉(zhuǎn)油缸計算 腕部是臂部和手部的連接部位，其作用實在臂部運動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變手部或調(diào)整手部在空間的方向，從而增加手

37、部工作的靈活性，擴大手部的工作范圍。 本設(shè)計將運用回轉(zhuǎn)油缸來驅(qū)動，設(shè)計時我將考慮以下幾點： a、 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕 b、 動作靈活平穩(wěn) c、 保證有足夠的剛度和強度 1.腕部回轉(zhuǎn)時所需的驅(qū)動力矩 如下圖所示： 圖4-2 腕部驅(qū)動力矩計算圖 除工件以外，將擺動體等效為一直徑 D=70mm， 長為 200mm的圓柱體。則重量 m=pv =pπD2L/4 （4-9） =6kg 取物重 10kg 平均直徑 D=50mm， 則由

38、 G=mg=pvg 所以：L=4m / pπD2 = 653mm （4-10） 將手部等效為150mm，直徑為 60mm 的圓柱體，則 m=pv=3.3kg 2.克服啟動慣性所需力矩 （4-11） 其中： 所以： =9.14kgf.m 3.克服

39、由工件，擺動體重心偏移所需力矩 （4-12） 4.密封裝置處的摩擦力矩： （4-13） 腕部擺動時受力圖如下: 圖4-3 腕部擺動受力圖 其中 則 =14.5mm =6.2mm = 20.7mm=2.2 kgfm （4-14） 5.回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)油腔的背壓力反力矩： （4-15） 其中：取 =1MP b=60mm R=35mm r= 20mm 則 ：

40、 =24.5=2.5kgfg 6.總驅(qū)動力矩： =0.36 +9.14 +2.2 +2.5 =14. 19kgf 則 所以： 所設(shè)計的相關(guān)尺寸滿足，強度要求合理。 7.缸蓋連接螺釘計算： QS = Q +QS` Q=P/Z=π（ R2 – r2 ）p/3Z QS ： 每個螺釘在危險截面上承受的拉力 Q ： 工作載荷 QS`： 預(yù)緊力 P ： 驅(qū)動力 P ： 工作油壓 Z : 螺釘數(shù)目 取6 則代入已知數(shù)據(jù)知: Q=P/Z =π（ R2 – r2

41、）p/3Z = 1327 N QS` =1.3Q=1725N 所以： QS = Q +QS` =3025N 螺釘?shù)膹姸葪l件為： 所以： 查取機械工程手冊第5冊，取螺釘工程直徑為6mm 8.動片與輸出軸連接螺釘計算： 動片與輸出軸連接方式如下圖： 如圖4-4 動片與輸出軸連接圖 1—動片 2—輸出軸 3—定片 依動片所

42、受力矩的平衡條件： （4-16） 式中： Q—每個螺釘?shù)念A(yù)緊力 P—油壓 B—動片寬度 Z—螺釘數(shù)目 F—被連接件配合面處摩擦系數(shù)取0.15 螺釘?shù)膹姸葪l件為： （4-17） 所以： 將以上數(shù)據(jù)代入公式得： Q=15225.4N 螺釘材料選用40Cr，查取相關(guān)資料， =400MPa 則： =

43、7.1mm 查取《機械手冊》，取螺釘工程直徑為：8mm 4.3小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 1.伸縮缸的設(shè)計 做水平伸縮直線運動的油缸的驅(qū)動力 式中： —摩擦阻力，手臂運動，運動表面間的摩擦力 —密封圈處的摩擦阻力 —油缸回油腔低壓油液所造成的阻力 —啟動或制動時所受的平均慣性力 （a） 的計算 由于活塞桿與液壓缸的相對運動，它們將產(chǎn)生一定的摩擦 如下圖： 如圖4-5 受力尺寸圖 得：

44、 Ra = （4-18） =u`Ra +u`Rb — 參與運動的零件的總重量 L — 重心導(dǎo)向支撐前端距離 a — 支撐長度 u`— 當(dāng)量摩擦系數(shù) u` 為 （1.27~1.57）取1.4 由前面的計算可知，手爪夾緊油缸，腕部回轉(zhuǎn)油缸的總重量為： =( 3.3 + 6.0 ) = 93 N = 100N

45、 = +=193 N = u` L = 450 mm a = 60 mm 帶入數(shù)據(jù)知，所以： = 23.0 kgf （b） 的計算： 與所用的密封的形狀有關(guān)，選用“o”型密封圈密封 = + + + = 0.03P 式子中 P為驅(qū)動力 = npπd1 p為工作壓力 （kgf/ cm3） U=0.05 ~0.023 l—密封的等效的長度 1（cm）

46、 d伸縮管直徑 所以： = 50.24 kg 從而：=50.24 + 0.03 = 50.27 kg （c）的計算: 背壓阻力較小，可以按下列公式計算 = 0.05 P (d) 的計算： （4-19） 參與運動的零部件 g 取 10 kg / N —由靜止加到常數(shù)的變化量取 0.05 m / s —運動時間 （s）一般取 0.01~0.5 s 取 t=0.5 s 所以 ： = 0.20 kgf 從而： P = + + +

47、 = 78.4 kgf 2.液壓缸尺寸的確定： 液壓油缸內(nèi)徑的計算 當(dāng)油液進(jìn)入有桿腔時： 式子中： P ——驅(qū)動力 P1——油缸的工作壓力 d ——活塞桿直徑 D ——油缸內(nèi)徑 ——油缸機械效率 ，取 0.95 d 的確定 ： 由于該活塞桿與臂部相連，當(dāng)活塞桿移動到右端最大距離時，活塞桿端蓋處處于最大彎曲應(yīng)力，活塞桿必須滿足最大彎曲應(yīng)力作用，活塞桿彎曲應(yīng)力如下：

48、 如圖4-6 活塞桿受力應(yīng)力圖 式子中： Max = Ma = GL = 1930.45 = 86.85 N 其中： Max—最大彎曲應(yīng)力 L—重心最大距離 G—臂部重力 又因為： W = 式子中： W—抗彎截面系數(shù) d—橫截面直徑 由彎曲的強度條件： （4-20） 得： 查《機械設(shè)計手冊》P368 ，表 15

49、-1得： 選取 材料 45# = 300 Pa 帶入數(shù)據(jù)知道： 16.6 mm 所以： = 24.4 mm 考慮到制造時的總體尺寸和多種用途，取內(nèi)徑為： D=70mm d = 40 mm 壁厚可以根據(jù)《機械設(shè)計手冊》，表4-4，取=10mm 3. 端蓋螺釘?shù)膹姸刃：耍? 取螺釘為 M8， 每個螺釘所受的力為 = 式子中： —工作載荷 —預(yù)緊力

50、 =/Z =78.4/8.6=13.1 kgf =k = 1.613.1=21.0kgf ==34.1 kgf 螺釘?shù)膹姸葪l件為： =88.24 kgf/ —材料的屈服極限 n—安全系數(shù) 所以： 即是取 M8 合格。 4.4俯仰缸設(shè)計 俯仰缸能使其手臂上仰下俯，使手臂的抓取范圍大大得到提高，設(shè)置一個俯仰缸，還可以使機械手得到重量上的平衡，使本機械手更加的穩(wěn)定。 1．本機械手臂上下活動的范圍為30度，以

51、下為俯仰缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 圖4-7 俯仰缸設(shè)計 1—底座 2—大臂 3—小臂 4—俯仰缸 活塞總長 活塞桿內(nèi)部工作的長度 手臂機構(gòu)受力圖如下： 如圖4-8 手部機構(gòu)受力圖 設(shè)：驅(qū)動力為P，則經(jīng)過計算： 32400 – 2.2124 – 9.2 80 – P 124 =0 P = 95.1kgf 所以：取油缸內(nèi)徑為32mm，活塞直徑為 20mm 缸臂為 7.5mm， 缸蓋四顆雙頭螺柱 M6 2. 雙頭螺柱的校核

52、： = 式子中： —工作載荷 ——預(yù)緊力 =/ Z =61.8 kgf 螺釘?shù)膹姸葪l件為： =7.64 kgf / 所以： , 即是取 M8 合格。 —材料的屈服極限 n—安全系數(shù) 4.5大臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 大臂是整個機械手的支撐部件，能實現(xiàn)機械手的大范圍的回轉(zhuǎn)，設(shè)計時應(yīng)該注意以下幾點： 1. 要有足夠的承載力

53、2. 要有足夠的剛度和強度 3. 要結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，盡量減少偏心力矩 大臂回轉(zhuǎn)示意圖如下： 如圖4-9 大臂回轉(zhuǎn)示意圖 大臂回轉(zhuǎn)時的力矩： M驅(qū)= M慣 + M封 +M回 1.密封裝置處的摩擦力矩：、 式中： 臂部擺動時受力圖如下： 圖4-10 大臂擺動時受力圖 其中：　 ＝０.15mm b= 50mm =5mm R= 45mm r = 20 mm p 取10MPa 則： =2.0 kgfm =3.2 k

54、gfm = 5.2 kgfm 2.求手臂重心到轉(zhuǎn)軸的距離： 手臂結(jié)構(gòu)受力圖如下： 圖4-11 手臂結(jié)構(gòu)受力圖 設(shè)重心于`o’處，則有： 手臂可以近似看成一根桿： L=800mm =1/12+43.4+43.4/10 =8.4kg 所以： 3.回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)油腔背壓力反力矩： 其中： =1MPa b=80mm R=50mm r=20mm 則： =5.54 kgfm

55、 4.回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑的計算 其中d=4mm 5.雙頭螺柱的校核 ： = 式子中： —工作載荷 — 預(yù)緊力 = / Z = 91.5 kgf 螺釘?shù)膹姸葪l件為 ： =10.53 kgf / 所以： , 即是取 M8 合格 4.6大臂升降結(jié)構(gòu)設(shè)計 大臂是整個機械手的支撐部件，能實現(xiàn)機械手大范圍的升降，設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點： （1） 要有足夠的承載力 （2） 要有足夠的剛度和強度 （3） 要結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕 1.受力圖如下：

56、 圖4-12 大臂受力圖 G—升降油缸個部件的重力 f—摩擦力 —上升驅(qū)動力 = 5.3 kgf =2.56 kgf = 43.4 kgf G = 43.4 + 5.3 + 2.56 =51.26 kgf 根據(jù)力矩平衡方程： G + f = = 51.26 / (1-0.1) = 57.0 kgf k為安全系數(shù) k=1.5 = 57.01.5 = 85.4kgf 2.油缸的內(nèi)徑計算 ： 由式子：

57、 （4-21） = 61.8mm 所以取D為110mm ，d為60mm 3.螺釘?shù)男：耍? = 式子中： —工作載荷 —預(yù)緊力 = / Z = 8.41 kgf 螺釘?shù)膹姸葪l件為： =1.108 kgf / 所以： , 即是取 M8 合格 —材料的屈服極限 n—安全系數(shù) 直到現(xiàn)在，本設(shè)計的機械手的機構(gòu)尺寸基本確定，其移動將根據(jù)實際應(yīng)用要求適當(dāng)調(diào)整。 4.7手部驅(qū)動油缸油孔尺寸計算 活塞運動速度 v 取 0.05m/s , 油的流速為

58、 3m/s 則油缸中每秒通過油量為 ： Q=VS =0.05 =13.2 則油孔中每秒通過的流量： 所以： 得 d =3.02mm 所以取油孔尺寸為 4mm 4.8腕部回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 油缸每秒進(jìn)入油量 ： （為45度每秒） = 55.6 而油孔每秒流入的

59、流量： 由 所以： =3.24mm 取油孔尺寸為 ：4mm 4.9大臂回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 油缸每秒進(jìn)入的油量： （為15度每秒） （4-22） = 87.6 而油孔每秒流入的流量： 由 ： 所以：

60、 =5.8mm 取油孔尺寸為 ：6mm 4.10大臂升降油缸油孔尺寸確定 活塞運動速度v取0.05m/s ,油的流速為 3m/s 則油缸中每秒通過油量： （4-23） = 141.37 而油孔中每秒通過的流量： =7.8 mm 所以取油孔尺寸d為8mm 4.11伸縮臂油缸油孔尺寸確定 活塞運動速度v取0.

61、05m/s ,油的流速為 3m/s 則油缸中每秒通過油量： =62.5 而油孔中每秒通過的流量： 由 所以： =5.01mm 所以 ：取油孔尺寸d=6mm 4.12本章小結(jié) 本章對各個部分的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行了計算，包括手部夾持器、腕部回轉(zhuǎn)油缸，腕部伸縮油缸、小臂伸縮油缸、大臂回轉(zhuǎn)油缸、大臂升降油缸、伸縮臂油缸的型號選擇，及其各個油缸的

62、活塞、活塞桿計算，各個油缸進(jìn)出油口尺寸的確定。 第5章 各油缸活塞桿校核 5.1 手部驅(qū)動油缸活塞桿校核 1.壓強校核 ： （5-1） =63.7MPa 碳鋼 取 100 ~120 MPa 所以： 強度條件滿足。 2．穩(wěn)定性校核： 條件： （5-2） 其中——臨界力 ； 取 2~4 ； 取0.5 ，L取 40mm

63、 =d/4 = 5mm 則： =4< =60 5.2 腕部回轉(zhuǎn)油缸活塞桿校核 在本設(shè)計中，手爪夾緊油缸腕部等效成一個圓柱體，由上面的論述可知，該圓柱體重量是33N。 所以： 腕部活塞桿受力圖如下： 圖5-1 腕部活塞桿受力圖 F=G=133N ,相應(yīng)產(chǎn)生的彎矩為 ： M=GL=15.6Nm 則應(yīng)力強度校核： 先求支反力 由 , 得 ：

64、 F=- 123 N 所以 ： =-116N 同理可求得： = 249 N =15.6Nm 所以按第三強度理論校核： = =0.159MPa 而 : ==294MPa >>

65、 所以軸強度條件符合。 5.3 伸縮油缸活塞桿校核 1.按強度條件校核 ： =0.624MPa 查表15—1得到： 所以： 活塞桿強度條件滿足。 2. 穩(wěn)定性校核 ： 桿長l為300mm ，桿徑d為40mm 因為 300< 15 40 = 600 即 ： l< 15d 所以： 不必校核 ，穩(wěn)定性合格。 5.4 俯仰油缸活塞桿校核 1.活塞桿的校核 ： =0.28 MPa 查表15—

66、1得到： 所以： 活塞桿強度條件滿足。 2.穩(wěn)定性校核 ： 桿長l為200mm ， 桿徑d為30mm 因為 200< 15 30 = 450 即 ： l< 15d 所以： 不必校核 ，穩(wěn)定性合格 。 5.5 本章小結(jié) 本章設(shè)計的主要內(nèi)容是對各個油缸的活塞桿進(jìn)行了強度校核。 第6章 總體三維圖 6.1 總體三維圖 經(jīng)過以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計，總體外觀圖的規(guī)劃，液壓系統(tǒng)的設(shè)計及其調(diào)試，現(xiàn)繪制出五自由度液壓搬運機械手的總體外觀三維圖如下： 圖6-1 總體主視圖 圖6-2 一定角度總體視圖 圖6-3 手爪放大圖 6.2 本章小結(jié) 經(jīng)過以上幾章的方案確定、設(shè)計分析、校核計算，本章最終對總體效果圖進(jìn)行了三維圖的繪制，其效果如上。 結(jié)論 在社會的發(fā)展中，人類追求效率的提高，離不開機器人的幫助，機械手作為機器人重要的一部分，關(guān)系著機器人發(fā)展的步伐快慢。本文以搬運機械手為例論述了有關(guān)機械手設(shè)計方面的一些問題，得出以下結(jié)論： 首