I 摘 要本次設計的多功能機械手為液壓機械手，主要由手爪、手腕、手臂、機身、機座等組成，具備上料、翻轉和轉位等多種功能，并按自動線的統一生產節(jié)拍和生產綱領完成以上動作。本機械手機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，其坐標形式為圓柱坐標式，具有立柱旋轉、手臂伸縮、腕部轉動和腕部擺動等 4 個自由度；驅動方式為液壓驅動，利用油缸、齒輪、齒條實現直線運動；利用油缸與齒輪、齒條或鏈條實現回轉運動。液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，并能在中間位置停止。本次設計的機械手能對不同物體完成多種動作。關鍵詞： 機械手；圓柱坐標；液壓驅動 II AbstractThe 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 III 目 錄摘 要 ....................................................................IAbstract .................................................................II第 1 章 緒論 ...............................................................11.1 機械手研究目的及意義 ................................................11.2 機械手的發(fā)展現狀及應用 ..............................................11.2.1 發(fā)展現狀 ........................................................21.2.2 應用 ............................................................3第 2 章 方案的確定 .........................................................62.1 直角坐標型機械手 ...................................................72.2 圓柱坐標式機械手 ...................................................72.3 球坐標式機械手 .....................................................82.4 關節(jié)式機械手 .......................................................8第 3 章 手部結構設計 ......................................................103.1 設計的原始參數 ....................................................103.2 夾持式手部結構 ....................................................103.2.1 手指的形狀和分類 ...............................................103.2.2 設計時考慮的幾個問題 ...........................................103.2.3 手部夾緊油缸的設計 .............................................11第 4 章 手腕結構設計 ......................................................154.1 手腕的自由度 ......................................................154.2 手腕的驅動力矩的計算 ..............................................154.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩 .......................................154.2.2 手腕回轉油缸的驅動力矩計算 .....................................174.2.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核 .......................................18第 5 章 手臂工作油缸的設計與計算 ..........................................225.1 手臂伸縮油缸的設計與校核 ..........................................225.1.1 尺寸校核 ......................................................225.1.2 導向裝置 ......................................................255.1.3 平衡裝置 ......................................................265.2 手臂升降油缸的設計與校核 ..........................................265.2.1 尺寸設計 .......................................................265.2.2 尺寸校核 .......................................................265.3 手臂回轉油缸的設計與校核 ..........................................275.3.1 尺寸設計 .......................................................275.3.2 尺寸校核 .......................................................27 IV 第 6 章 液壓驅動系統的設計 ...............................................296.1 液壓系統的簡介 ....................................................296.2 液壓系統的組成 ....................................................296.3 機械手液壓系統的控制回路 ..........................................296.3.1 各液壓缸的換壓回路 ..............................................296.4 液壓系統控制原理圖設計 ............................................306.4.1 各缸運動過程分析 ..............................................30第 7 章 機械手的可編程控制 ................................................337.1 可編程控制的選擇 ....................................................337.2 電磁鐵動作順序 .....................................................337.3 輸入輸出觸點的分配 .................................................347.4 外部接線圖 ..........................................................357.5 狀態(tài)控制圖 ..........................................................367.6 梯形圖 ..............................................................38結 論 ...................................................................39致 謝 ...................................................................40參 考 文 獻 ..............................................................41 1第 1 章 緒論液壓機械手，就其本質上來說，屬于工業(yè)機器人的范疇，機器人學是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機科學、自動控制以及人工智能等多種學科的最新研究成果，體現了機電一體化技術的最新成就，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術發(fā)展的重要課題。1.1 機械手研究目的及意義隨著現代科學技術的發(fā)展，機械手的應用也越來越廣泛。在機械工業(yè)中，大量應用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機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)等工種中也均有應用 [2]。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：1.可以提高生產過程的自動化程度。應用機械手有利于在自動生產線中實現材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以及機器的裝配等的自動化程度，從而提高勞動生產率，降低生產成本。2.可以改善勞動條件，避免人身事故。在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質的環(huán)境場合，用人手直接操作是很危險的甚至是不可能的。而應用機械手即可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。3.可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產。應用機械手代替人手進行作業(yè)，這是直接減少人力的一個側面，同時應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一方面。因此，在自動化機床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的生產。4.用液壓系統來控制機械手，比一般的機械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確度更高。5.運用機械手可以實現連續(xù)的生產，而大大提高在生產線的工作的時間，從而能大幅提高勞動的生產率。1.2 機械手的發(fā)展現狀及應用 2機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認識；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生產工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產率，加快實現工業(yè)生產機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應用。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，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視 [1]。1.2.1 發(fā)展現狀專用機械手經過幾十年的發(fā)展，如今已進入了以液壓機械手為標志的時代。液壓機械手可以應用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設計的成本。由于液壓機械手的發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。通用機械手涉及的內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用了一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學等，因此它是一項綜合性較強的技術。目前國內外對發(fā)展這一技術都很重視。幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷的修改，品種在不斷的增加，應用領域在不斷的擴大。雖然在這方面相對于發(fā)達國家還有點落后，但是國內現在也越來越感覺到機械手的重要性，國家大力支持相關的設計及產品的開發(fā)。在機器人的發(fā)展以及機械手的設計上也取得了一定的成果，國內每年都將舉行機器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作。目前國內外的發(fā)展趨勢是：1．研制有更多自由度的液壓機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。2．研制帶有行走機構的機械手，這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。3．研制維修維護方便的通用機械手。4．研制能自動編制和自動改變程序的通用機械手。5．研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手。這種機械手具有各種傳感裝置，并配有計算機。根據仿生學的理論，用計算機充當其大腦，使它進行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進行應答，用熱電偶和電阻應變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構腳來實現自動移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊語言對其下達命令，布置任務，使自動化生產線成為智能化生產線。6．機械手的外觀達到美觀的要求，盡量用最簡單的結構和設備能完成更加多的動 3作。7．研制具有柔性系統的液壓機械手目前，在國外廣泛應用的再現式液壓機械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預先編好的，或由人在工作之前領動一次，而后機械手可以按領動的工作內容正確進行再現動作。如果把這種再現式通用機械手稱為第二代機械手的話，那么現在處于研制階段的智能機械手就是第三代了。現在研究的機械手正在朝著一種可以存儲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，而且機械手具有比原來的更多的自由度?，F在國內具有越來越強的自主研發(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)達國家在機械手乃至整個機械方面處于領先地位。1.2.2 應用機械手一半分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備普通機械的物理性之外，還具備使用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機械手來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數外，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械手 [3]。機械手首先是從美國開始研制的。1985 年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一回轉長臂。端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統是示教型的。1962 年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為 Unimate（即萬能自動） 。運動系統仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動；控制系統用磁鼓作存貯裝置。不少球坐標式通用機械手都是在這個基礎上發(fā)展起來的。日本式工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自 1969 年從美國引進二種典型機械手后，大力從事機械手的研究。據報導，1979 年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位達 50 多個。1976 年各大學和國家研究部門用在機械手的研究經費約占總研究費用的 42%。 1979 年日本的機械手的產值達 433 億日元，產量為 14535 臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達 222 億日元，是 1978 年的二倍。具有記憶功能的機械手產值約為 67 億日元，比 1978 年增長 50%。智能機械手約為 17 億日元，為 1978 年的6 倍。截止 1979 年，機械手累計產量達 56900 臺。在數量上已占世界首位，約占70%，并以每年 50~60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電 4器。預計到 1990 年將有 55 萬機器人在工作。目前工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。下面就國內機械工業(yè)、鐵路部門應用機械手的簡況，以及國外機械工業(yè)發(fā)展和應用機械手的簡況，分別介紹如下。1.熱加工方面的應用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現自動化。為了實現高效率和工作安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)揮鍛造設備的生產能力，改善熱、累的勞動條件。因此，國內首先是采用鍛造操作機，裝取料機械手來代替人工操作，減輕勞動強度。后來在精鍛機上采用機械手，使精短過程自動化，代替人工喂料。國外對鍛造機械手的研制工作十分重視，如美國采用圓柱坐標式機械手在 1300 噸鍛壓機上鍛造齒輪毛坯；瑞典采用 Unimate 型機械手在壓力機上鍛造曲軸；采用Versatran 型機械手生產大型軸承環(huán)，機械手在兩臺液壓機間傳送軸承環(huán)的坯料。鍛壓機械手的手指部位必須采用耐熱鋼鍛造，相當于 40CrNi2Mo 的材料。同時用空氣、水噴霧冷卻。機械手外部裝有防熱護罩，內部通水冷卻。機械手在鍛造、熔煉方面的應用，國內已研制成功壓鑄機上下料機械手，上下箱、合箱、澆注機械手，以及鑄件表面清理機械手等。有些工廠還將機械手和造型機配合組成鑄造生產自動線，徹底改變了鑄造生產的面貌。國外對電爐煉鋼過程中采用機械手進行了大量的研究。由于強大電流的干擾，影響了機械手的采用，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械手，才能實現澆注的機械化和自動化。2.冷加工方面冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數字控制等機床上應用，成為設備的一個組成部分。最近更在加工生產線、自動線上應用，稱為機床、設備上下工序聯接的重要手段。國內機械工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專業(yè)上采用機械手上下料、減輕工人勞動強度。如在軸類、螺栓、氣閥和螺撐帽坐等零件的加工機床上配置了機械手，代替人工上下料。在三通閥體、軸瓦、平斜鐵、柴油機搖臂加工生產自動線上采用單臂、雙臂圓柱式機械手，成為聯接工序、運送工件的重要裝備。并在連桿粗加工自動線上采用數控機械手，這樣它不僅擔負自動線上機床工件的裝卸、運輸，并能發(fā)出指令指揮全線工作。 5國外鐵路工業(yè)中應用機械手以加工鐵路車軸、輪對等大、中批量零部件。并和機床設備共同組成一個綜合的數控加工系統。3.拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統房中體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內鐵路工廠、機務段等部門。已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清楚石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。采用機械手進行裝配更是目前研制的重點，國外已研究采用攝像機和力的傳感裝置和微型計算機聯接在一起，能確定零件的方位，達到鑲裝的目的。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢 [4]。 6第 2 章 方案的確定本畢業(yè)設計是液壓機械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結構形式方案一般有一下幾種 [5]：表 2-1 機械手結構選型表結構形式方案 特點 優(yōu)缺點 結構簡圖直角坐標型作機的手臂具有三個移動關節(jié)，其關節(jié)軸線按直角坐標配置結構剛度較好，控制系統的設計最為簡單，但其占空間較大，且運動軌跡單一，使用過程中效率較低圓柱坐標型操作機的手臂至少有一個移動關節(jié)和一個回轉關節(jié)，其關節(jié)軸線按圓柱坐標系配置結構剛度較好，運動所需功率較小，控制難度較小，但運動軌跡簡單，使用過程中效率不高續(xù)表 2-1 機械手結構選型表結構形式方案 特點 優(yōu)缺點 結構簡圖 7球坐標型操作機的手臂具有兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)，其軸線按極坐標系配置結構緊湊，但其控制系統的設計有一定難度，且機械手臂的剛度不足，機械結構較為復雜關節(jié)型操作機的手臂類似人的上肢關節(jié)動作，具有三個回轉關節(jié)運動軌跡復雜，結構最為緊湊，但控制系統的設計難度大，機械手臂的剛度差2.1 直角坐標型機械手直角坐標式機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械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標形式 X、Y、Z 三個方向的直線進行運動。結構簡圖見表 2-1。其工作范圍可以使一個直線運動；二個直線運動或三個直線運動。如在 X、Y、Z三個直線運動方向上各具有 A、B、C 三個回轉運動，即構成六個自由度。但在實際上式很少有的。缺點是這種機械手作業(yè)范圍較小。2.2 圓柱坐標式機械手圓柱坐標式機械手是應用最多的一種形式，它適用于搬運和測量工作。 具有直觀性好，結構簡單，本體占用的空間小，而動作范圍較大等優(yōu)點。圓柱坐標式機械手由 X、Z、φ 三個運動組成。它的工作范圍可分為：一個旋轉運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在平面內的旋轉運動；二個直線運動加一個旋轉運動。結構簡圖見表 2-1.圓柱坐標式機械手有五個基本動作：1. 手臂水平回轉；2. 手臂伸縮；3. 手臂上下；4. 手臂回轉動作； 85. 手爪夾緊動作。圓柱坐標式機械手的特征是在垂直導柱上裝有滑動套筒、手臂裝在滑動套筒上，手臂可作上下直線運動（Z）和在水平面內做圓弧狀的左右擺動 （φ） 。據國外 140 中機械手的統計，圓柱坐標式機械手就有 86 種，其中 76 中式具有X、Z、 φ 三個運動，而具有六個自由度的機械手僅有六種。本次設計方向與該類型機械手特點相符。2.3 球坐標式機械手球坐標式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它是由 X、θ、φ 三個方向的運動組成。結構簡圖見表 2-1。球坐標式機械手的工作范圍包括：一個旋轉運動；二個旋轉運動；二個旋轉運動加一個直線運動。球坐標式機械手可實現以下八個動作：1．手臂上下動作，即俯仰動作；2．手臂左右動作，即回轉動作；3．手臂前后動作，即伸縮動作；4．手腕上下彎曲；5．手腕左右擺動；6．手腕旋轉運動；7．手爪夾緊動作；8．機械手整體移動。球坐標式機械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內做圓弧狀上下俯仰運動，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，工作范圍和人手的動作類似。它的特點是能自動選擇最合理的動作路線。所以工效高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，二動作范圍大。2.4 關節(jié)式機械手關節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動型式。它像人手一樣有肘關節(jié)，可實現多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。關節(jié)式機械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應用，隨后在開發(fā)海洋中應用，有一定的發(fā)展前途。關節(jié)式機械手有大臂和小臂的擺動，以及肘關節(jié)和肩關節(jié)的運動。關節(jié)式機械手具有上肢結構，可實現近似于人手操作的機能。為具有近似人手操作的機能，需要研制最合適的結構。關節(jié)式機械手的傳動機構采用齒輪、齒條式和擺動式，傳動機構采用哪一種型式，主要根據工件的輕重來決定。 9本次設計的目標是 4 自由度體型小的液壓機械手，上述 4 種類型機械手中圓柱坐標機械手體型合適，機構適宜，能夠達到設計要求且結構不復雜，所以選擇圓柱坐標式機械手。 10第 3 章 手部結構設計工件是棒料，使用夾持式手部。它具有模仿人手動作的功能， ，并安裝于機械手手臂的前端 [6]。3.1 設計的原始參數本次設計的機械手為 4 自由度機械手，能夠實現大臂的升降和旋轉，小臂的伸縮和旋轉動作。主要設計參數如下：1．手臂力至少達 90N2．自由度數 43、手臂伸縮速度 750 mm /s，手臂升降速度 250mm/s，手臂回轉速度 110o／s ，手腕回轉速度 360o/s4、手臂伸縮行程范圍 0~500mm，手臂升降行程范圍最大 0～200mm，手臂回轉行程范圍 0o~220o。3.2 夾持式手部結構夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，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卡式(或內漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件 [7]。3.2.2 設計時考慮的幾個問題1．具有足夠的握力(即夾緊力)在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生 11的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。2.手指間應具有一定的開閉角兩手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。3.保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。4.具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。5.應考慮被抓取對象的要求(1)抓取形狀 手指形狀應根據工件形狀而設計。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，細絲工件用尖指勾形或細齒鉗爪手指?？傊畱鶕ぜ螤顏磉x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，手指應能適應尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對于工件表面質量要求高的，抓取時盡量避開高質量表面或在手指上加軟質墊片(如橡皮．抱沫塑料．石棉襯墊等)，以防夾持時損壞工件。(3)抓取數量 若用一對手指抓取多個工件，為了不發(fā)生個別工件的松動或脫落現象，在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫、塑料等 ，對于較長工件可采用雙指或多指抓取。6.應考慮手指的多用性手指是專用性較強的部件，為適應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，對于這種手指要求結構簡單，安裝維修方便，更換迅速和準確，以便擴大機械手的使用范圍 [8]。3.2.3 手部夾緊油缸的設計1、手部驅動力計算本課題液壓機械手的手部結構如圖 3-1 所示， 121-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 齒輪齒條式手部結構圖1．根據手指夾持工件的方位 ，可得握力計算公式 [9]:（3-1 ）sin2GNf??式中： -為夾持工件的握力，N-為工件重量，N，要求抓取重量為G90-為手指夾角的 1/2,角度,V 形手指的角度? =1??—為摩擦系數 取f 0.1f?代入式中 9sin630N2.N???2．根據手部結構的示意圖 3-1，其驅動力為:（3-2）bPR理式中： —為理論驅動力，P理—為夾持物體中心到銷軸的中心距，b =60m—銷軸到小齒輪的中心距 R17代入式中 1326039275N1P??理3．實際驅動力:（3-3）12k??理實 際式中 —為實際驅動力, P實 際 N—為工作效率因為傳動機構為齒輪齒條傳動，故取? 0.9?—為安全系數 通常取 1.2~2 這里取1k 1k.5?—為 工 作 情 況 系 數 若 被 抓 取 工 件 的 最 大 加 速 度 取 時，則: 2 0.5ga?0.51.5g???所以 .73683N09P?實 際夾持工件時所需夾緊液壓缸的驅動力為 。2、手指夾緊工件時，彈簧變形所產生的彈簧力（選擇彈簧型號為 GB1239-89）（3-4）38GdPCZ??彈式中 —為彈簧變形所產生的彈力P彈—為手指夾緊工件時彈簧的變形量， ，?m25—彈簧材料的切變模量 G1028N/??—為使手指松開的復位彈簧絲直徑d =3d—為彈簧的旋繞比（又稱為彈簧指數 ）C2Dd30C9??—為彈簧的有效圈數 ； Z12Z310358P86N9?????彈3、求夾緊缸的工作壓力作用在夾緊缸活塞上的機械載荷 P 為：（3-5）?彈 封實式中 —為夾緊活塞上的機械載荷,PN—為實際驅動力,N實—為彈簧變形所產生的彈簧力,N彈—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封 14（ ）小，故按照經驗取 ，取P??彈實 0.51PP?封 （ ～ ） 0.6P?封計算得 1.061.683678NP???偏彈實因作用在活塞上的合成液壓力即驅動力與機械載荷 p 相平衡，故夾緊缸的工作壓力 p 為：（3-6）24PpD??式中 D—為夾緊缸直徑，從結構設計得知 ，所以0m5223278.1N/.14p?????（ ） 15第 4 章 手腕結構設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉油缸。4.1 手腕的自由度 手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。手腕運動有繞X軸轉動稱回轉運動，繞y軸轉動稱為上下擺動(或俯仰)，繞Z軸轉動稱為左右擺動，沿y軸方向的橫向移動(或沿Z軸方向縱向移動)。因此手腕最多具有四個獨立運動即四個自由度 [10]。手腕自由度的選用與機械手的通用性，加工工藝要求，工件放置方位和定位精度等許多因素有關，一般手腕沒有回轉運動或再增一個上下擺動即可滿足工作的要求，也有的專用機械手沒有手腕的運動，若有特殊要求的可增加手腕左右擺動或沿y軸方向的橫向移動。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞 軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現手腕回轉運動的機構，應x用最多的為回轉油缸，我們選用的是回轉油缸，它的結構緊湊，并且要求嚴格的密封。4.2 手腕的驅動力矩的計算4.2.1 手腕轉動時所需的驅動力矩手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩 [11]。手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算: 16（4-1）MM??驅 慣 偏 摩 封式中: - 驅動手腕轉動的驅動力矩，驅MNcm?- 慣性力矩，慣 c?- 參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉缸的動片)對轉動軸偏線所產生的偏重力矩， ?- 手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，封Ncm?下面以圖4-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:1、手腕加速運動時所產生的慣性力矩 慣M若手腕起動過程按等加速運動，則:（4-2）21(Ncms)Jt?????慣 （ ）式中: - 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量，J ?- 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量， 。1 2?—手腕轉動時的角速度，弧度?/s—起動過程所用的時間，t?若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量 為:1J（4-3）21cGeg??式中: - 工件對過重心軸線的轉動慣量， ；cJ Nms?- 工件的重量，1GN- 工件的重心到轉動軸線的偏心距, e c- 手腕轉動時的角速度，弧度/s；?- 起動過程所需的時間，t?s— 起動過程所轉過的角度，弧度?2、手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏， （4-4）13MGe??偏 Ncm?式中: - 手腕轉動件的重量， ；3GN- 手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距，e當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則 。10e?3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 封 17， （4-5）21()ABfMRd??封 Ncm?式中: ， - 轉動軸的軸頸直徑，1d2 cm- 摩擦系數，對于滾動軸承 ，對于滑動軸承 ；f 0.f 1.0?f, - 處的支承反力，N，可按手腕轉動軸的受力分析求解，ARB根據 ,得:0??）（ FM（4-6）lGlRB123??（4-7）13l?同理，根據 ,得:0)(?FB（4-8）lllGRA )()()( 321??式中: - 手部的重量，2GN- 如圖4-2所示的長度尺寸，13,l cm1.工件2.手部3.手腕圖4-1手碗回轉時受力狀態(tài)圖4.2.2 手腕回轉油缸的驅動力矩計算在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉油缸，它的原理如圖4-3所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片封圈4把油腔分隔成兩個.當壓 18縮油從孔a進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉 [12]。單葉片回轉油缸的壓力P和驅動力矩M的關系為:, 或 （4-9）2-8bpDd?（ ） 28()MpbDd??1-定片 2-缸體 3-動片 4-動片風圈 5-回轉軸 a-進油口 b-出油口圖4-2 回轉油缸簡圖4.2.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核1.尺寸設計設計油缸內徑為 ,半徑 ,軸徑 ,半徑 ,油90m1?D45R?20mD?13R?缸運行角速度 ，加速度時間 ，回轉油缸的工作壓力為 ，°36/s?0.1st?5280N/m?動片寬度為 。50由公式（4-1）計算力矩：（4-10）2-8bpMDd?（ ）510385N.m??????（ .9.0）=2.尺寸校核1．測定參與手腕轉動的部件的質量 ,分析部件的質量分布情況，質量密1kgm度等效分布在一個半徑 的圓盤上，那么轉動慣量：60r?（4-11）2210.6.18rJ??2m? 19工件的質量為 ,質量分布于長 的棒料上，那么轉動慣量5kg80ml?（4-12）2215.0.7 kg.clJ??假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長 的棒料來說，最大偏心距8ml，其轉動慣量為:140me?（4-13）21120.75.04 kgcJe????則： （4-14）1()MJt??慣 3600.8.7.169 Nm????2．手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉動件重心與轉動軸線重合， ，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線 ,則10e 340me?（4-15）13MGe??偏式中： —為手腕回轉部件的重量，1G—為工件的重量，3N10510.42 m????偏3．手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為 摩M由于是液壓傳動，潤滑比較好，根據經驗得知摩擦力矩很小，故忽略不計。4．回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 M封（4-16）12??封 封 封 側 封 徑式中 —為回轉缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，M封 Nm?—為輸出軸與缸蓋密封裝置處的摩擦阻力矩， 封 1 Nm?（4-21Mdlp???封17）式中 —輸出軸與缸蓋密封處直徑，d0 20—密封的有效長度（或密封寬度）,l（4-18）20ldk??20.32.40.84ml???—“O”形密封圈的截面直徑；d03—“O”形圈在裝配時的壓縮率，對于回轉運動， ,取k 0.3~.5k?0.4k?—摩擦系數，?0.1??—回轉油缸的工作壓力,p52810N/p?則： 251..4.810M?封 4.m??—為動片側面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩，封 側 m?—動片外徑與油缸密封裝置處的摩擦阻力矩，封 徑 N—動片側面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩封 側（4-19）21-8MlDdp??封 側 （ ）其中： — 回轉油缸直徑D— 回轉油缸與動片連接處直徑d由設計得： 90m,=2d?則 51.84801.M??封 側 （ .-）65N?：動片外徑與油缸密封裝置處的摩擦阻力矩封 徑（4-20）12DMblp??封 徑其中 為動片的寬度， ， ， ， 和 同上述。b50mb?1l 50.9.840.1??封 徑1.N?則： 24.6.51.36.Nm????封5、回轉油缸回油腔的背壓反力矩 M回（4-21）2-8bDdp回 回 （ ）其中 為回油腔的油液壓力，在這里初步估算為p回 5201/? 21則： 250.5.9-0.108M???回 （ ）96.3Nm??則手腕回轉油缸所需的驅動力矩 為：驅（4-22）M?驅 回慣 封 偏106.93.5296.3?247?.Nm85NM???驅所以設計尺寸符合使用要求，安全。 22第 5 章 手臂工作油缸的設計與計算5.1 手臂伸縮油缸的設計與校核手臂的伸縮動作由伸縮油缸帶動，需要計算油缸的驅動力。所謂油缸的驅動力是指油缸的高壓油腔的壓力油所產生的合成液壓力。在機械手工作時，各油缸的驅動力要分別克服作用在各自油缸活塞上的總機械載荷，以保證機械手正常運動 [13]。手臂伸縮油缸運行長度設計為 ,油缸內徑為 ，半徑 。50ml?140mD?20mR?5.1.1 尺寸校核1、設計油缸運行長度設計為 ,油缸內徑為 ,半徑 , 活塞50l?140?20R?運行速度為 ，加速度時間 ，進油壓力為 。1750m/s??.st?5=1N/mP?當壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度 而運動是所需輸入油缸的流量 為：1?1Q（5-1）214DQ??式中： — 油缸（或活塞）直徑， Dm1=0— 輸入無桿腔的流量，1QL/in— 活塞的移動速度， ?s175/s??流量 為：1210.4756./i???油缸的無桿腔內壓力油液作用在活塞上的合成液壓力 即油缸的驅動力為：1P（5-2）214Dp???式中： — 進油壓力，pN— 油缸驅動力，1P2510.16N4P???? 23當壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度 而運動是所需輸入油缸的流量 為：2?2Q（5-3）24DdQ???（ ）式中： — 活塞桿直徑（ mm） d0md— 輸入無桿腔的流量，1QL/in— 活塞的移動速度， ，2?s215/s??則流量 為： 220.460Q????（ ）8.L/min?油缸的無桿腔內壓力油液作用在活塞上的合成液壓力 即油缸的驅動力為：2P（5-4）22DdPp4??（ ）250..10942N???（ ）2、計算作用在活塞上的總機械載荷機械手手臂移動油缸的受力簡圖如圖5-1所示。作用在活塞上的總機械載荷P為：（5-5）PP??驅 工 導 回 封 慣 dI偏Ia工 P導G總CA圖5-1 手臂伸縮油缸受力簡圖1.工作阻力 ：工作阻力 的數值要根據油缸工作的 具體情況確定有無，并進P工 工行計算或估算。在此為完成搬運工件的伸縮油缸，故不受工作阻力，即 為0。P工 242.導向裝置處的摩擦阻力 ：不同配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力不同，P導要根據具體情況進行估算。本設計如圖5-1所示的是雙向桿導機構，其導向桿截面形狀是圓柱面。導向桿對稱配置在油缸的兩側，并布置在過油缸活塞桿的平面內。圖5-1所示的油缸在啟動時，導向裝置處的摩擦阻力較大，估計如下：由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均勻，可按一只導向桿估算，忽略導向桿直徑的影響，根據它手里的平衡條件推得：（5-6）12LaPG???導 總式中 — 參與運動的零部件的總重量， （包括被抓物件重量）估算 為G總 NG總 80kg— 手臂縮回時參與運動的零部件的總重量的重心 C到導向支承前端的距離Lm50?— 導向支承的長度， ama=160— 摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時，鋼對鋼的取? 0.1??— 當量摩擦系數，其值與導向支承的截面形狀有關，對于圓柱面1，取??.27151.4?則： 25016P80???導N3.密封裝置處的摩擦阻力 封在壓力油驅動活塞運動時，各密封裝置處摩擦阻力之和為 ，即P封（5-7）123P??封 封 封 封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123P封 封 封、 、的摩擦阻力，其值隨密封圈結構的不同而異。當油缸的工作壓力不大于 時，活塞桿直徑為油缸直徑的一半，活塞520N/m?和活塞桿處走采用O型密封圈時，油缸密封處的總摩擦力為：112.3Pp??封 封=0.3567伸縮油管處的摩擦阻力 為：封（5-8）3pdl??封式中 —密封圈與配合面的摩擦系數，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。 25對于O型橡膠密封圈，當油液壓力 時， 。油液壓52pN/m?????????????力高時 取小值，壓力低時 取大值，在本次設計中取 。???—密封處的工作壓力， ，P52=10/P—伸縮油管直徑， ，dm.6d—密封的有效長度，l密封的有效長度l近似估算為：（5-9）20ldk??式中： —為壓縮率 一般為 ，在這里取k.8.14?=0.1—為O型密封圈截面直徑， 對應圖帶入0dm則： 220.l????.14?（5-10）3Ppdl???封5..1406.14.N??（5-11）23P?封 封 封 封7.8.N?4.慣性力 P慣機械手的手臂在起動時，活塞桿上所受到的平均慣性力，可近似計算如下：（5-12）GvPgt??總慣式中： — 參與運動的零部件的總重量， （包括被抓物件重量）G總 N80kgG?總g — 重力加速度， 2m/s210/s— 速度變化量， ，v?.75v??— 啟動過程的時間， t t則： 8.10P?慣6N?5.背壓阻力 P回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0.5P?工回算。由于 ，故 。0?工 回所以： （5-13）PP???驅 工 導 回 封 慣 26= 0+1823.60+N因為： ，故該油缸的尺寸符合使用要求。8215P??驅5.1.2 導向裝置液壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，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，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。目前導向桿常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中采用雙向導向桿來增加手臂的剛性和導向性 [16]。5.1.3 平衡裝置在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮油缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，砝碼塊的質量根據抓取物體的重量和油缸的運行參數視具體情況加以調節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。5.2 手臂升降油缸的設計與校核5.2.1 尺寸設計油缸運行長度設計為 ,油缸運行速度為 ，加速度時間 ,10ml?250m/s0.1st??油缸內徑為 ,半徑 ,進油壓力為 ，做升降運動的總18D=4R2=1Np?重量 。G90N?總5.2.2 尺寸校核驅動力 為：P驅（5-14）PP???驅 工 背 慣 摩 封由經驗公式可得： 90NG工 總0.5.45??工背 210.Pag?總慣 270.1.90NPG???總摩 654總封故： （5-15）PP??驅 工 導 回 封 慣=90+4528013N作用在活塞上的推力 ：P（5-16）24DPp??53.108=1?25N因為 ，所以伸縮油缸的尺寸符合要求。1304NP??驅5.3 手臂回轉油缸的設計與校核5.3.1 尺寸設計油缸內徑為 ,半徑 ,軸徑 半徑 ,油缸運10mD?50R?240mD?20R?行角速度 ，加速度時間 ，進油壓力o9/s?.st?5=1N/p?5.3.2 尺寸校核驅動手臂回轉的力矩 ，應該與手臂起動時所產生的慣性力矩 及各密封裝置M驅 M慣處的摩擦阻力矩 相平街。若軸承處摩擦力矩忽略不計，則可按下式計算：封（5-17）M??驅 慣 封式中 — 密封裝置處的摩擦阻力矩，回轉缸密封裝置處的摩擦阻力矩應包括回轉封缸動片圓柱面與缸徑和動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算：（5-18）12??封 封 封（5-19）1MFRbp?封（5-20）21-cpcr封 （ ）其中： （5-21）?式中各尺寸符號如圖5-2所示，單位為厘米，其 為密封圈與缸徑裝配后接觸面的1b 28有效寬度。由設計估算： 5210kg=10N/mGp??， 10.154m=650mbB???， ， ，8m5Rr?， ， 3351.640.9NM????封35 332 1200(102)?????? ??封=9Nm?（5-22）12M?封