五自由度液壓搬運機械手設計

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1、五自由度液壓搬運機械手設計 不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 目錄 第1章 緒論1 1.1課題背景及研究現(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3 第2章 總體方案設計4 2.1設計目標4 2.2總體方案分析4 搬運機械手的組成4 三大系統(tǒng)設計分析4 2.3搬運機械手的運動及驅動方式5 2.4本章小結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 外觀圖簡圖8 液壓原理設計圖截圖9 3.3本章小結10 第4章 各部分的具體計算11 4

2、.1 手部夾持器的計算11 手部夾持器設計要求11 手部夾持器設計計算11 端蓋螺釘校核12 4.2腕部回轉油缸計算13 4.3小臂結構設計17 4.4俯仰缸設計20 4.5大臂回轉機構設計22 4.6大臂升降結構設計24 4.7手部驅動油缸油孔尺寸計算26 4.8腕部回轉油缸油孔尺寸確定26 4.9大臂回轉油缸油孔尺寸確定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28 第5章 各油缸活塞桿校核29 5.1 手部驅動油缸活塞桿校核29 5.2 腕部回轉油缸活塞桿校核29 5.3 伸縮油缸活塞桿校核30

3、5.4 俯仰油缸活塞桿校核30 5.5 本章小結31 第6章 總體三維圖32 6.1 總體三維圖32 6.2 本章小結33 結論34 致謝35 參考文獻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 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、自動控制與驅動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學科的最新研究成果，隨著經濟的發(fā)展和各行各業(yè)對自動化程度要求的提高，機器人技術得到了迅速發(fā)展，出

4、現(xiàn)了各種各樣的機器人產品。機器人產品的實用化，既解決了許多單靠人力難以解決的實際問題，又促進了工業(yè)自動化的進程。目前，由于機器人的研制和開發(fā)涉及多方面的技術，系統(tǒng)結構復雜，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的廣泛應用，因此，研制經濟型、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，第二代產品，微機控制、直流電動機驅動的小型工業(yè)機械手已成產品。 美國是最早研制和應用機械手的國家，早在1967年就定型批量生產了UNIMATE4000型前身。1969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

5、組成了點焊轎車車身的自動生產線。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公司生產的機械手，瑞典的ASEA公司、ELECTROLUX公司和KAVIELDT公司生產的機械手，德國的VOLKSVAGEN公司生產的機械手在歐洲市場，甚至在北美市場都占有很大的比重。 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

6、勞動生產率和自動化水平。工業(yè)生產中經常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和長期頻繁，單調的操作，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)機械手的主要應用領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 配 弧焊 噴漆 點焊 樹脂成型 鍛

7、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 機械手的研究意義 機械人手技術是近30年來發(fā)展比較快的一種新技術，機械手是一門新興的的綜合性科學，他設計機械設計制造控制工程計算機傳感技術仿真生學，人工智能等領域，工業(yè)機械手是實現(xiàn)工業(yè)生產自動化的重要設備，它

8、本身是機電一體化的典型產品。 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，幾乎達到了以假亂真的程度，加之各種技能的應用，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，因此其應用越來越廣泛。 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，其應用最廣泛，在自動化流水線生產中勞動強度最大，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

9、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的空間區(qū)域內進行工作，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，提高了勞動生產效率，同時也降低了成本。 諸多的優(yōu)點為機械人的廣泛應用開辟了廣闊的前景，而我國在這些方面還處于初始階段，因此需要更進一步發(fā)展，本次的設計是對大學四年所學知識的鞏固與綜合應用

10、。 1.3本章小結 本章介紹了五自由度液壓搬運機械手的設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)實中的應用領域，還介紹了機械手的優(yōu)點及發(fā)展前景。 第2章 總體方案設計 2.1設計目標 設計一種五自由度搬運機器手，包括機器手的總體設計，移動方式設計，動作規(guī)劃設計，三維造型設計等。 重點是機器手的結構設計，即如何在綜合考慮機器人的功能和特性要求后，能夠完整的設計出合理而優(yōu)化的機器手。 功能指標包括：機械手的各部件的升降、轉動，對壓力的敏感反映等，使得機器人可以實現(xiàn)到達任何位置的升降、轉動，同時具有重量輕，穩(wěn)定性好等特點。 由于本設計并沒有工業(yè)實際

11、的問題的要求，也就是沒有要功能模塊的具體設計，并且，設計者所希望的創(chuàng)新性也大過實用性?；谝陨显?，本設計暫不考慮對于功能模塊的搭載問題，僅僅討論并設計一種合理可行、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 搬運機械手的組成 控制系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) 驅動系統(tǒng) 圖2-1組成框架圖 參考諸多的搬運機械手的設計理念，以及對于本題目——五自由度搬運機械手的理解，現(xiàn)將總體分為五大部件，分別為：大臂升降結構、大臂回轉結構、伸縮臂結構、小臂伸縮結構、手爪回轉結構、手爪伸縮結構。 三大系統(tǒng)設計分析 1．控制系統(tǒng) 此系統(tǒng)是控制驅動機構工作從而實現(xiàn)按預定程序進行工作的機構，并

12、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)設計要求和各自的優(yōu)點和缺點，本機械手采用液壓驅動實現(xiàn)，五個自由度。 3．執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行機構是完成各種動作的總稱，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整被抓取物體

13、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。 2.3搬運機械手的運動及驅動方式 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 (b) 工作空間大 (c) 關節(jié)驅動處容易密封，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計水平的重要指標，自由度越

14、多的機械手能完成的運動越復雜，技術難度越大，控制定位越困難，安裝越復雜，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，小臂伸縮，小臂俯仰，大臂回轉，大臂升降等5個自由度完全滿足工作要求。 3．運動范圍 關節(jié)3結構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，本設計中將直線油缸的直線運動轉換成回轉油缸的回轉運動傳遞出去，針對結構的需要和驅動力的大小

15、，各自由度的運動采用不同的傳遞方式，大臂回轉，腕部回轉都采用回轉油缸，小臂俯仰、小臂伸縮、大臂升降都采用直線油缸。 5．機械手的驅動方式 采用液壓驅動的優(yōu)點是： （1） 速度反映性好 ; 因為被驅動部件的速度快慢取決于油液容積變化，所以當不考慮溫度變化的時候，被驅動系的滯后幾乎不存在，而且液壓機構的重量輕，慣性小，他的速度反應性好。 （2） 調速范圍大，還可以無極調速，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） 在產生相同驅動力的條件下，液壓驅動比其他驅動方式體積小， （5） 定位精度高 （6） 驅動力或力矩大 存在的不利因

16、素有： （1）液壓系統(tǒng)存在泄漏對機構的穩(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的剛性，影響定位精度，產生爬行 （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 本章對總體方案的設計進行了確定，規(guī)劃了搬運機械手的三大組成部分，進而對三大組成部分進行了設計分析，確定了搬運機械手的運動方式及其驅動源，設計了運動范圍及回轉角度，對液壓驅動方式的優(yōu)缺點進行了比較。 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 （腕部轉動、小臂伸縮、小臂俯仰、大臂回轉、大臂升降 ） 4.抓重：最大 5Kg

17、 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 -90°—90° 45°/s 小臂伸縮 0—300mm 0.05m/s 小臂俯仰 0—100mm 0.05m/s 大臂回轉 -90°—90° 15°/s 大臂升降 0—120mm 0.05m/s 6. 控制方式：PTP/CP 7. 重復定位精度：+2mm 8. 驅動方式：液壓驅動 9. 驅動源 ：液壓油泵 3.2總體外觀圖 3.2.1外觀圖簡圖 圖3-1 機械手結構簡圖 1—手腕 2—小臂 3—俯仰缸 4—大臂 3.

18、2.2液壓原理設計圖截圖 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通電，大臂旋轉油缸順時針旋轉，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） 小臂到達伸出一定距離，碰到行程開關14，之后將電磁鐵3接通實現(xiàn)手爪旋轉缸體的運動。 （6） 電磁鐵3通電，手爪旋轉缸順時針旋轉，實現(xiàn)手爪的周向定位 （7） 電磁鐵1通電，手爪伸

19、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，手爪旋轉油缸逆時針旋轉，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，大臂旋轉油缸逆時針旋轉，實現(xiàn)大臂周向定位。 在參考了眾多機械手手部的結構后，結合自己的設計要求，現(xiàn)在設計出如上圖的液壓機械手及其驅動液壓原理裝置。下面介紹各個

20、液壓缸體的設計計算及其型號的選用，機械人手部結構形式多樣，但總的設計都有如下幾點基本要求： （1）應具有足夠的夾緊力和驅動力，手爪握力（夾緊力）大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結構龐大，不經濟；力量過小則會產生松動、脫落。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應考慮傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，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過的角度）。 （3）要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 3.3本章小結 本章對機械手的基本參數(shù)進行了確定，并且繪制出了總體外觀圖及液

21、壓原理圖，同時對液壓原理圖的工作原理進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手部夾持器設計要求 1.設計要求 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. 手抓機構分析 手部夾持器是工業(yè)機械手的關鍵部位之一，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。 手部夾持器應具有以下幾點： （a） 足夠的夾緊力 （b） 保證工件

22、在手指的準確定位 ( c ) 能適應工作環(huán)境所提出的要求 （d）保證在強度和剛度的前提下，盡可能使結構緊湊，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： 圖4-1 手爪工作原理圖 1—鉸接點 2—手指 3—工件 4.1.2手部夾持器設計計算 進分析可知，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） = = 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

23、度為 a=g) 為方位系數(shù) =0.5 =56kg 設液壓缸直徑為D 、d為半徑。 （4-5） （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上進一步改變手部或調整手部在空

24、間的方向，從而增加手部工作的靈活性，擴大手部的工作范圍。 本設計將運用回轉油缸來驅動，設計時我將考慮以下幾點： a、 結構緊湊，重量輕 b、 動作靈活平穩(wěn) c、 保證有足夠的剛度和強度 1.腕部回轉時所需的驅動力矩 如下圖所示： 圖4-2 腕部驅動力矩計算圖 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G=mg=pvg 所以：L=4m / pπD2= 653mm（4-10）

25、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： 3.克服由工件，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.回轉油缸回轉油腔的背壓力反力矩： （4-15） 其中：取 =1MP b=

26、60mm R=35mm r= 20mm 則 ： =24.5=2.5kgfg 6.總驅動力矩： =0.36 +9.14 +2.2 +2.5 =14. 19kgf 則 所以： 所設計的相關尺寸滿足，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`： 預緊力 P ： 驅動力 P ： 工作油壓 Z : 螺釘數(shù)目 取6 則代入

27、已知數(shù)據(jù)知: Q=P/Z =π（ R2– r2 ）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 依動片所受力矩的平衡條件： （4-16） 式中： Q—每個螺釘?shù)念A緊力 P—油壓 B—

28、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，查取相關資料， =400MPa 則： =7.1mm 查取《機械手冊》，取螺釘工程直徑為：8mm 4.3小臂結構設計 1.伸縮缸的設計 做水平伸縮直線運動的油缸的驅動力 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

29、 （a） 的計算 由于活塞桿與液壓缸的相對運動，它們將產生一定的摩擦 如下圖： 如圖4-5 受力尺寸圖 得： Ra = （4-18） =u`Ra +u`Rb — 參與運動的零件的總重量 L — 重心導向支撐前端距離 a — 支撐長度 u`— 當量摩擦系數(shù) u` 為 （1.27~1.57）取1.4 由前面的計算可知，手爪夾緊油缸，腕部回轉油缸的總重量為： =( 3.3 + 6.0 ) = 93 N

30、 = 100N = +=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，選用“o”型密封圈密封 = + + + = 0.03P 式子中 P為驅動力 = 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）d伸縮管直徑 所以： = 50.24 kg 從而：=50.

31、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 = + + + = 78.4 kgf 2.液壓缸尺寸的確定： 液壓油缸內徑的計算 當油液進入有桿腔時： 式子中：P ——驅動力

32、 P1——油缸的工作壓力 d ——活塞桿直徑 D——油缸內徑 ——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力，活塞桿必須滿足最大彎曲應力作用，活塞桿彎曲應力如下： 如圖4-6 活塞桿受力應力圖 式子中：Max = Ma = GL = 1930.45 = 86.85 N 其中： Max—最大彎曲應力 L—重心最大距離 G—臂部

33、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《機械設計手冊》P368 ，表 15-1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，取內徑為： D=70mm d = 40 mm 壁厚可以根據(jù)《機械設計手冊》，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

34、的力為 = 式子中： —工作載荷 —預緊力 =/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，以下為俯仰

35、缸的結構設計： 圖4-7 俯仰缸設計 1—底座 2—大臂 3—小臂 4—俯仰缸 活塞總長 活塞桿內部工作的長度 手臂機構受力圖如下： 如圖4-8 手部機構受力圖 設：驅動力為P，則經過計算： 32400 – 2.2124 – 9.2 80 – P 124 =0 P = 95.1kgf 所以：取油缸內徑為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： = 式子中： —工作載荷 ——預緊力

36、 =/ 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大臂回轉機構設計 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，設計時應該注意以下幾點： 1. 要有足夠的承載力 2. 要有足夠的剛度和強度 3. 要結構緊湊，重量輕，盡量減少偏心力矩 大臂回轉示意圖如下： 如圖4-9 大臂回轉示意圖 大臂回轉時的力矩： M驅= M慣 + M封 +M回 1.密封裝置處的摩擦力矩：、 式中： 臂部擺動時

37、受力圖如下： 圖4-10 大臂擺動時受力圖 其中：?。剑?15mm b= 50mm =5mm R= 45mm r = 20 mm p 取10MPa 則： =2.0 kgfm =3.2 kgfm = 5.2 kgfm 2.求手臂重心到轉軸的距離： 手臂結構受力圖如下： 圖4-11 手臂結構受力圖 設重心于`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.回轉油缸回轉油腔背壓力反力矩： 其中：=1

38、MPa b=80mm R=50mm r=20mm 則： =5.54 kgfm 4.回轉油缸的內徑的計算 其中d=4mm 5.雙頭螺柱的校核 ： = 式子中：—工作載荷 — 預緊力 =/ 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大臂升降結構設計 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，設計時應注意以下幾點： （1） 要有足夠的承載力 （2） 要有足夠的剛度和強度 （3） 要結構緊湊，重量輕 1.受力圖如下： 圖4-12 大臂受力圖

39、 G—升降油缸個部件的重力 f—摩擦力 —上升驅動力 = 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.油缸的內徑計算 ： 由式子： （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 —預緊

40、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，本設計的機械手的機構尺寸基本確定，其移動將根據(jù)實際應用要求適當調整。 4.7手部驅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 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腕部回轉油缸油孔尺寸確定 油缸每秒進入油量 ： （

41、為45度每秒） = 55.6 而油孔每秒流入的流量： 由 所以： =3.24mm 取油孔尺寸為 ：4mm 4.9大臂回轉油缸油孔尺寸確定 油缸每秒進入的油量： （為15度每秒） （4-22） = 87.6 而油孔每秒流入的流量： 由 ： 所以： =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） = 141.3

42、7 而油孔中每秒通過的流量： =7.8mm 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0.05m/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 本章對各個部分的具體數(shù)據(jù)進行了計算，包括手部夾持器、腕部回轉油缸，腕部伸縮油缸、小臂伸縮油缸、大臂回轉油缸、大臂升降油缸、伸縮臂油缸的型號選擇，及其各個油缸的活塞、活塞桿計算，各個油缸進

43、出油口尺寸的確定。 第5章 各油缸活塞桿校核 5.1 手部驅動油缸活塞桿校核 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 =d/

44、4 = 5mm 則： =4< =60 5.2 腕部回轉油缸活塞桿校核 在本設計中，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 ,相應產生的彎矩為 ： M=GL=15.6Nm 則應力強度校核： 先求支反力 由 , 得 ： F=- 123 N 所以 ：

45、 =-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 >> 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 = 60

46、0 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—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 本章設計的主要內容是對各個油缸的活塞桿進行了強度校核。 第6章 總體三維圖 6.1 總體三維圖 經過以上的結構設計，總體外觀圖的規(guī)劃，

47、液壓系統(tǒng)的設計及其調試，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 經過以上幾章的方案確定、設計分析、校核計算，本章最終對總體效果圖進行了三維圖的繪制，其效果如上。 結論 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機械手設計方面的一些問題，得出以下結論： 首先，理論分析方面，注重理論與實際相結合，考慮到各種驅動的優(yōu)缺點，最后選擇了液壓系統(tǒng)驅動，因為液壓系統(tǒng)驅動具有以下幾個優(yōu)點：

48、 （1） 能方便的進行無級調速，調速范圍大。 （2） 體積小、重量輕、功率大。 （3） 控制和調節(jié)簡單、方便、省力；容易實現(xiàn)自動化控制和過載保護。 （4） 可以實現(xiàn)無間隙運動，運動平穩(wěn)。 （5） 因為傳動介質為油液，故液壓元件有自我潤滑的作用，使用壽命長。 （6） 液壓元件實現(xiàn)了標準化、通用化，便于設計、制造和推廣使用。 （7）可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達直接帶動負載，從而省去了中間的減速裝置，使得傳動簡單化。 其次，結構設計方面，綜合考慮外形美觀、結構小巧、實用性、剛度、強度等諸多因素。設計為5自由度的機械手，分別為：手腕的轉動、小臂的伸縮、小臂的俯仰、大臂的擺動和

49、大臂的升降，使其活動范圍大，工作面更廣。 最后，通過個方面的校核，該機械手最大的抓取重量為10千克棒料，壽命長、效率高且抓取動作準確，是很實用的搬運機械手。 致謝 通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文《五自由度液壓搬運機械手》終于完成了，這意味著大學生活即將結束。在大學階段，我在學習上和思想上受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學和朋友的關心、支持和鼓勵是分不開的。 在本論文的寫作過程中，我的導師唐德棟老師傾注了大量的心血，從選題到開題報告，從總體結構設計到關鍵部件的選擇，再到一遍又一遍地指出每此設計圖中的具體問題，嚴格把關，循循善誘，相信老師的這些極具價值的指導思想會一直有益于我

50、以后的生活和學習，在此我表示衷心感謝。同時我還要感謝在我學習期間給我極大關心和支持的各位老師以及關心我的同學和朋友。 寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學習的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學習生活的開始。我將銘記我曾是一名哈爾濱理工大學的學子，在今后的工作中把薄厚悠遠的優(yōu)良傳統(tǒng)發(fā)揚光大。 感謝各位導師的批評指導。 參考文獻 1 蔡鶴皋．機器人將是21世紀技術發(fā)展的熱點[J]．中國機械工程，2000，11(1):58． 2 安永植，姜國超.工業(yè)機器 構的研究[J].機器人，1994:1-24. 3 Trovato S，章成光．CECIL通過蒸汽發(fā)生器管間進行檢查和沖洗[J]．國

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55、ine, micro-electronics and computer, automation control and drive, sensor and message dispose and artificial intelligence and so on. With the development of economic and the demand for automation control, robot technology is developed quickly and all types of the robots products are come into being.

56、 The practicality use of robot products not only solves the problems which are difficult to operate for human being, but also advances the industrial automation program. At present, the research and development of robot involves several kinds of technology and the robot system configuration is so co

57、mplex that the cost at large is high which to a certain extent limit the robot abroad use. To development economic practicality and high reliability robot system will be value to robot social application and economy development. With the rapid progress with the control economy and expanding of the

58、modern cities, the let of sewage is increasing quickly: With the development of modern technology and the enhancement of consciousness about environment reserve, more and more people realized the importance and urgent of sewage disposal. Active bacteria method is an effective technique for sewage di

59、sposal，The lacunaris plastic is an effective basement for active bacteria adhesion for sewage disposal. The abundance requirement for lacunaris plastic makes it is a consequent for the plastic producing with automation and high productivity. Therefore, it is very necessary to design a manipulator th

60、at can automatically fulfill the plastic holding. With the analysis of the problems in the design of the plastic holding manipulator and synthesizing the robot research and development condition in recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration

61、, transform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of mechanical configuration, electronic, software and hardware. In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate and the arthrosis coordinate which

62、 can improve the stability and operation flexibility of the system. The main function of the transmission mechanism is to transmit power to implement department and complete the necessary movement. In this transmission structure, the screw transmission mechanism transmits the rotary motion into line

63、ar motion. Worm gear can give vary transmission ratio. Both of the transmission mechanisms have a characteristic of compact structure. The design of drive system often is limited by the environment condition and the factor of cost and technical lever. The step motor can receive digital signal dire

64、ctly and has the ability to response outer environment immediately and has no accumulation error, which often is used in driving system. In this driving system, open-loop control system is composed of stepping motor, which can satisfy the demand not only for control precision but also for the target

65、 of economic and practicality. On this basis，the analysis of stepping motor in power calculating and style selecting is also given. The analysis of kinematics and dynamics for object holding manipulator is given in completing the design of mechanical structure and drive system. Kinematics analysis

66、is the basis of path programming and track control. The positive and reverse analysis of manipulator gives the relationship between manipulator space and drive space in position and speed. The relationship between manipulator’s tip position and arthrosis angles is concluded by coordinate transform method. The geometry method is used in solving inverse kinematics problem and the result will provide theory evidence for control system. The f0unction of dynamics is to get the relationship between th