關(guān)節(jié)型機(jī)械手設(shè)計【四自由度 圓柱坐標(biāo)式液壓驅(qū)動】

喜歡這套資料就充值下載吧。資源目錄里展示的都可在線預(yù)覽哦。下載后都有，請放心下載，文件全都包含在內(nèi)，圖紙為CAD格式可編輯，有疑問咨詢QQ:414951605 或 1304139763p 1 緒論機(jī)械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。1.1 研究目的及意義工業(yè)機(jī)械手具有許多人類無法比擬的優(yōu)點，滿足了社會化大生產(chǎn)的需要，其主要優(yōu)點如下：1.能代替人從事危險、有害的操作。只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。工傷事故多的工種，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有強烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，應(yīng)推廣工業(yè)機(jī)械手或機(jī)器人。2.能長時間工作，不怕疲勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機(jī)械手只要注意維護(hù)、檢修，即能勝任長時間的單調(diào)重復(fù)勞動。3.動作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可避免人為的操作錯誤。4.機(jī)械手特別是通用工業(yè)機(jī)械手的通用性、靈活性好，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。5.機(jī)械手能明顯地提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。由于機(jī)械手在工業(yè)自動化和信息化中發(fā)揮了以上巨大的作用，世界各國都很重視工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用在我過還屬于起步階段，就顯示出了許多的無法替代的優(yōu)點，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。近十幾年來，機(jī)械手的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。1.2 本課題研究內(nèi)容 要求本設(shè)計能較鮮明地體現(xiàn)機(jī)電一體化的設(shè)計構(gòu)思。所謂機(jī)電一體化，是機(jī)械工程技術(shù)吸收微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)等而形成的一種新的綜合集成技術(shù)。盡管機(jī)電一體化的產(chǎn)品名目繁多，并由于它們的功能不同而有不同的形式和復(fù)雜程度，但做功的機(jī)械本體部分（包括動力裝置）和微點自控制部分（包括信息處理）是最基本的、必不可少的要素。本設(shè)計要求完成以下工作：1、 擬定整體方案，特別是控制方式與機(jī)械本體的有機(jī)結(jié)合的設(shè)計方案。2、 根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部、腕部和臂部的結(jié)構(gòu)。3、 各部件的設(shè)計計算。4、 機(jī)械手工作裝配圖的設(shè)計與繪制。5、 液壓系統(tǒng)圖的設(shè)計與繪制。6、 編寫設(shè)計計算說明書。2 機(jī)械手的總體設(shè)計2.1 工業(yè)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)所組成的，各部關(guān)系如圖2.1所示。圖2.1 機(jī)械手的組成2.1.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)1.手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型(為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。2.腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個運動。如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的工業(yè)機(jī)械手沒有腕部自由度。3.臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是帶動手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。手臂有三個自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運動和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高，在自由度較少時使用。圓柱坐標(biāo)占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)式占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以也不常用。2.1.2 驅(qū)動機(jī)構(gòu)有氣動、液動、電動和機(jī)械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機(jī)械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。液動式的出力大，臂力可達(dá) 1000N 以上，且可用電液伺服機(jī)構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機(jī)械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機(jī)械式只用于動作簡單的場合。2.1.3 控制系統(tǒng)有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進(jìn)行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機(jī)數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。2.2 關(guān)節(jié)型機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)1.抓重：300N2.自由度：4個3.坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)4.手臂運動參數(shù)運動名稱符號行程范圍速度伸縮X400mm小于250mm/s升 降Z300mm小于70mm/s回轉(zhuǎn)0210小于90 ()/s5.手腕參數(shù)運動名稱符號行程范圍速度回轉(zhuǎn)0180小于90 ()/s6.手指夾持范圍：棒料，直徑5070mm，長度4501200mm7.定位方式：電位器設(shè)定，點位控制8.驅(qū)動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)）9.定位精度：3mm10.控制方式：可編程控制2.3 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手運動簡圖經(jīng)過考慮，本設(shè)計的機(jī)械手設(shè)計成如下簡圖形式：圖2.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手3 關(guān)節(jié)型機(jī)械手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計3.1 手部手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)多種多樣，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而定的。歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。 根據(jù)設(shè)計要求，這里只討論夾鉗式的手部結(jié)構(gòu)。 夾鉗式手部是由手指、傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下，多采用兩個手指。驅(qū)動裝置為傳動機(jī)構(gòu)提供動力，驅(qū)動源有液壓的、氣動的和電動的等幾種形式。常見的傳動機(jī)構(gòu)往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機(jī)構(gòu)實現(xiàn)夾緊或放松。 平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，適于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時，不會引起中心位置的偏移。但這種手指結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積大，要求加工精度高。根據(jù)設(shè)計要求，工件是圓盤，所以采用回轉(zhuǎn)型手指，其張開和閉合靠手指根部（以樞軸支點為中心）的回轉(zhuǎn)運動來完成。樞軸支點為一個的，稱為單支點回轉(zhuǎn)型；為兩個支點的，稱為雙支點回轉(zhuǎn)型。這種手指結(jié)構(gòu)簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產(chǎn)生夾持定位誤差。本設(shè)計要求抓取棒料，故采用夾鉗式手部。3.1.1 夾緊力的計算手指加在工件上的夾緊力，是計算手部的主要依據(jù)。必須對其大小、方向和作用力進(jìn)行分析、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動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以及工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下式計算：FK1K2K3G式中K安全系數(shù)，通常取1.22.0; K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。K2可近似按下式估算K2=1+其中a運載工件時重力方向的最大上升速度； g重力加速度，g 9.8m/s;a=運載工件時重力方向的最大上升速度； t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0.030.5s。 K方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定。G被抓工件所受重力（N）。3.1.2夾緊缸驅(qū)動力計算如圖是液壓夾緊裝置。手爪殼和缸殼連成一體，當(dāng)壓力油從液壓缸右邊油管進(jìn)油時，活塞桿向左移動，推動手爪閉合；當(dāng)壓力油從液壓缸左邊進(jìn)油時，拉動手爪張開。缸的拉力（或推力）（N）為：式中 D活塞直徑（）;活塞桿直徑（）;驅(qū)動壓力（）。圖3.1 液壓缸驅(qū)動裝置3.1.3 兩支點回轉(zhuǎn)型手指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（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免差生手指夾持的定位誤差，必須選用合理的手部機(jī)構(gòu)參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。圖3.2 兩支點回轉(zhuǎn)型手指若把工件軸心位置C到手爪兩支點連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關(guān)系有：X=lAB2+(Rsin)2-2lABRsincos-a2對于兩支點回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng)a值較大時），偏轉(zhuǎn)角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的BE和BE邊平行，抓不著工件。為了避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑Rcp，以BCD=90為條件確定兩支點回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角，即為：=cos-1（Rcpsina）1lAB工件平均半徑 Rcp=50+704=30mm取手指lAB為2倍的工件平均半徑lAB=2Rcp=230mm=60mm取V型夾鉗的夾角2=120，取a=12mm則=cos-1（Rcpsina）1lAB=cos-1（30sin60-12）160=67.83計算 R0=lABsincos=60sin60cos67.83=19.61mm =|lAB2+Rmaxsin2-2lABRmaxsincos-a2-lAB2+Rminsin2-2lABRminsincos-a2|=|602+(35sin60)2-26035sin60cos67.83-122- 602+(25sin60)2-26025sin60cos67.83-122|=|57.09-54.60|=2.49mm因為題目要求定位精度為3mm,所以設(shè)計滿足要求。設(shè)計結(jié)果：a=12mmlAB=60mm2=120=67.83X=lAB2+(Rsin)2-2lABRsincos-a2 =602+(30sin60)2-26030sin60cos67.83-122=55.56mm3.1.4 緊缸的計算1、設(shè)K1=1.5，K3=1.05，工件垂直方向的移動速度為0.07ms，機(jī)械手達(dá)到最高速度的響應(yīng)時間為0.5S，=45，則K2=1+ ag=1+ 0.070.59.8=1.01FN=K1K2K3G=1.51.011.053=477.23N 2、驅(qū)動力計算F計算=2bacos2FN =255.5612cos245477.23 =2209.57N3、取=0.85F實際=F計算=2209.570.85=2599.49N 4、確定液壓缸直徑D F實際=4D2-d2p選取活塞桿直徑d=0.5D，壓力油工作壓力p=30105PaD=4F實際p(1-0.52)=42599.49301050.75=0.038m根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB108667）選取液壓缸內(nèi)徑為：D=40mm則活塞桿直徑為：d=400.5=20mm3.2 腕部手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是再臂部運動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強。手腕部件具有獨立的自由度。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運動或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。目前，應(yīng)用最廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度較小（一般小于 270o），并且要求嚴(yán)格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此，在要求較大或轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條齒輪傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。3.2.1 腕部設(shè)計的基本要求1、力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于臂部的最前端，它連同手部的精、動載荷均由臂部承受。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。2、綜合考慮，合理布局腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運動的要求以及具有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局。如應(yīng)解決好腕部與臂部和手部的連接，腕部各個自由度的位置檢測，管線布置，以及潤滑、維修、調(diào)整等問題。3、必須考慮工條件對于高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作的機(jī)械手，其腕部在設(shè)計是應(yīng)充分估計環(huán)境對腕部的不良影響（如熱膨脹、壓力油的粘度惡化燃點，有關(guān)材料及電控元件的耐熱性等）。根據(jù)以上幾點，結(jié)合設(shè)計要求，設(shè)計出腕部的結(jié)構(gòu)如圖 3-2。其為典型腕部結(jié)構(gòu)中具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。直接用回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運動，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。圖3.3用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)1回轉(zhuǎn)液壓缸 2手爪驅(qū)動液壓缸 3左進(jìn)油管 4手部油管 5右進(jìn)油管 6固定葉片 7回轉(zhuǎn)軸 8回轉(zhuǎn)葉片 9缸體圖3.3所示的為腕部結(jié)構(gòu)，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸，實現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運動。從 B-B剖視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡稱動片）用螺釘、銷釘和轉(zhuǎn)軸 7 連接在一起，定片 6則和缸體 9 連接。壓力油分別由油孔 3、5 進(jìn)出油腔，實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動片、定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于 270），圖示液壓缸可以回轉(zhuǎn)90。圖示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅(qū)動液壓缸的油管是從回轉(zhuǎn)缸壁通過，然后通過一個環(huán)槽結(jié)構(gòu)包圍手部夾緊缸，腕部回轉(zhuǎn)時，不論在哪個方位油路仍可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉(zhuǎn)。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉(zhuǎn)液壓缸）由手臂內(nèi)通過并經(jīng)腕部回轉(zhuǎn)缸壁分別進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸和手部驅(qū)動液壓缸。3.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服以下幾種阻力。1、腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 M摩一般為了簡化計算，取M摩=0.1M總阻力矩2、克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏 M偏=G1e式中 e工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）。3、克服啟動慣性所需的力矩M慣啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度及啟動所用時間t啟，按下式計算M慣=(J+J工件)t啟或者根據(jù)腕部角速度 及啟動過程轉(zhuǎn)過的角度啟按下式：M慣=(J+J工件)22啟式中J工件 工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（Nms2）；J 手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（Nms2）； 手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度（1/s）；t啟 啟動過程中所需時間（s），一般取 0.05-0.3s；啟 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）。手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力矩相當(dāng)于上述三項之和。M總=M摩+M偏+M慣如果手腕回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量（ J+J工件）不是很大時，手腕啟動過程所產(chǎn)生的慣性力矩也不大，為了簡化計算可以將計算力矩M摩、M偏適當(dāng)放大，而省略掉M偏 ，這時M總=1.1(M摩+M偏)具體計算過程如下設(shè)：（1）手爪、手爪驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件為一個等效圓柱體，高為30cm,直徑為20cm,其所受重力為G=400N。 （2）摩擦阻力矩M摩=0.1M總 （3）啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度啟=15=0.262rad,等速轉(zhuǎn)動角速度=90s-1=1.571s-1求 M慣=(J+J工件)22啟J=12mR2= 124009.80.12=0.204 Nms2J工件=112m(l2+3R2)=1123009.8(1.22+30.32)=4.362 Nms2代入 M慣=0.204+4.3621.571220.262=21.506Nms2M摩=0.1M總M總=0.1M總+M慣=0.1M總+21.506M總=21.5060.9=23.896 Nm3.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計計算回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力距，為了使該機(jī)械手具有更好的通用性，以及與相應(yīng)的機(jī)構(gòu)尺寸相吻合，設(shè)回轉(zhuǎn)的基本尺寸如下：回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D=40mm輸出軸與動片連接處的直徑d=10mm動片寬度b=45mm回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力p=3MPa M驅(qū)=pb(R2-r2)2=31060.015(0.0202-0.0052)2=25.31Nm因為M驅(qū)M總，所以是符合要求的。3.3 臂部手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。 臂部的各種運動通常用驅(qū)動機(jī)構(gòu)（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動又較多，故受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機(jī)械手的工作性能。由本機(jī)械手的總體設(shè)計可知該臂部分三部分：回轉(zhuǎn)缸、伸縮缸和俯仰擺動液壓缸。回轉(zhuǎn)缸實現(xiàn)的是手臂旋轉(zhuǎn)，伸縮缸實現(xiàn)的是手臂升降，俯仰缸實現(xiàn)的是手臂的俯仰。3.3.1 手臂伸縮液壓缸3.3.1.1 伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)過整體考慮，手臂作直線運動的部分設(shè)計為雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)，其圖如下：圖3.4 雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)1缸蓋 2導(dǎo)向桿 3活塞 4缸體 5活塞桿 6導(dǎo)向套從圖中可較清楚地看到手臂伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)；導(dǎo)向桿 2 在導(dǎo)向套內(nèi)移動，以防手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（小臂回轉(zhuǎn)，手腕回轉(zhuǎn)和手爪夾緊液壓缸用的輸油管道安裝在其內(nèi)）。由于手臂的伸縮缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向管承受彎曲作用，活塞桿只受軸向的拉力和壓力，故大大減少了活塞桿的受力，使傳動平穩(wěn)。3.3.1.2 手臂伸縮液壓缸的設(shè)計計算3.3.1.2.1作水平伸縮直線運動液壓缸的驅(qū)動力F=F慣+F摩+F密+F回式中 F摩摩擦阻力。手臂運動時，為運動件表面的摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。 F密密封裝置處的摩擦阻力。 F回液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力。 F慣啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。1）F摩的計算 不同的配置和不同的導(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。 圖3.5 水平移動液壓缸受力圖圖3.5為雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，其導(dǎo)向桿截面形狀為圓柱面，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮缸的兩側(cè)，啟動時，導(dǎo)向裝置的摩擦阻力較大，計算如下：由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。MA=0G總L=aFRb得 FRb=G總LaY=0G總+FRb=FRa得 FRa=G總(L+aa)F摩=Fa摩+Fb摩=FRa+FRbF摩=G總(2L+aa)式中 G總參與運動的零部件所受的總重力（含工作重力）（N）； L手臂參與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支承前端的距離（m）; a導(dǎo)向支承的長度（m）； 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)。對于圓柱面：=（42）=（1.271.57）摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時；鋼對青銅：取=0.10.5鋼對鑄鐵：取=0.180.3取=0.2，設(shè)手爪、手爪驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸所受重力為G=400N，手臂伸縮液壓缸所受重力為G=150N，則G總=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，則F摩=0.21.3850(250+100100)=442N2）F密的計算 不斷密封圈其摩擦阻力不同，此處選用“Y”形密封圈。F密=pdl式中 摩擦系數(shù)，=0.060.08 P密封處的工作壓力（Pa）； d密封處的直徑（m） l沿軸向的密封長度，相當(dāng)于唇部的寬度（m）。根據(jù)活塞桿的直徑選“Y”形密封圈型號為B16407ACM，內(nèi)徑為16mm，唇部寬度為7mm，設(shè)密封處工作壓力為2.5MPa，則F密=pdl=0.072.51060.0160.007=61.58N3）F回的計算 一般背壓阻力較小，可按F回=0.05p,此處忽略不計。4）F慣的計算F慣=G總gt0.7式中 G總參與運動的零部件所受的總重力（包括工件重量）（N）； g重力加速度，取9.8m/s2; 由靜止加速到常速的變化量（m/s）； t啟動過程時間（s），一般取0.010.5s。已知=0.07m/s，取t=0.5sF慣=8500.079.80.5=12.14N手臂作水平直線運動液壓缸的驅(qū)動力為F=F慣+F摩+F密+F回=12.14+442+61.58+0=515.72N3.3.1.2.2 手臂作升降運動的液壓缸驅(qū)動力F=F慣+F摩+F密+F回G式中 F摩摩擦阻力，如下圖所示。F摩=2F1f，取f=0.16 G零部件及工件所受總重力。 其他阻力的計算與上相同，省略。注意，須按h0.32計算不自鎖的條件。圖3.6 手臂各部件重心位置圖3.3.1.3 伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸3.3.1.3.1 液壓缸內(nèi)徑的計算圖3.7雙作用液壓缸示意圖如圖3.7所示，當(dāng)油進(jìn)入無桿腔F=F1=pD24當(dāng)油進(jìn)入有桿腔F=F2=p(D2-d2)4液壓缸的有效面積：S=F p1固有D=4Fp1=1.134Fp1 （無桿腔）D=4Fp1+d2 （有桿腔）式中 F驅(qū)動力（N）； p1液壓缸的工作壓力（Pa）； d活塞桿直徑（m）；D液壓缸內(nèi)徑（m）；液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取=0.95。由總體設(shè)計知，手臂在收縮是液壓油進(jìn)入的有桿腔，取=0.95，則D=4Fp1+d2=4515.722.51060.95+0.0162=0.031m 由于前面的手部和腕部的液壓缸內(nèi)徑都選的是40mm，為了使該機(jī)械手具有更好的通用性，這里也取D=40mm。3.3.1.3.2液壓缸壁厚計算初選壁厚=5mm，則：D=405=8因為16D3.2時屬于中等壁厚，所以該壁厚屬于中等壁厚，計算公式為：=p1D(2.3-p1)+C式中 p1液壓缸內(nèi)工作壓力（Pa）； 強度系數(shù)（當(dāng)為無縫鋼管時=1）； C讓管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標(biāo)準(zhǔn)壁厚值；D液壓缸內(nèi)徑（m）。該鋼臂為無縫鋼管，則=p1D(2.3-p1)+C=2.51060.04(2.3100106-2.5106)+C=0.001mm所以選取的壁厚滿足條件。取標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑為50mm，則壁厚為5mm。3.3.1.3.3 塞桿的計算 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度的要求。對于桿長l大于直徑d的15倍（即l15d）的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。按強度條件決定活塞桿直徑dd4F=4515.72100106=0.002m所以d=16mm是滿足要求的?；钊麠U的穩(wěn)定性校核 當(dāng)活塞桿l15d時，一般應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性校核。因為此處活塞桿長度為200mm，直徑為16mm，200/1615，所以這里不用進(jìn)行活塞桿的穩(wěn)定性校核。3.3.1.3.4 螺釘?shù)挠嬎銥榱吮ＷC連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距t1，查表知，間距應(yīng)小于100mm，設(shè)螺釘數(shù)目為4個。表3.1 間距t1與壓力p的關(guān)系工作壓力p1（MPa）螺釘間距t1（mm）0.11.51501.52.51202.55.01005.010.0M總，所以是符合要求的。3.3.2.4缸蓋螺釘?shù)挠嬎阌捎谠谟嬎闶直凵炜s液壓缸過程中已經(jīng)行過缸蓋螺釘?shù)挠嬎悖颂幍挠嬎闩c上面相同，故不再贅述。4 機(jī)械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)自 60 年代初到現(xiàn)在，已自機(jī)械手中獲得廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點是：動力大、力（或力矩）慣性比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等。液壓系統(tǒng)在機(jī)械手中所起的作用是通過電液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進(jìn)行功率放大，對液壓動力機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向、位置和速度的控制，進(jìn)而控制機(jī)械手的手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機(jī)構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動液壓缸。用于實現(xiàn)手臂的伸縮升降以及手腕、手臂的回轉(zhuǎn)。4.1 程序控制機(jī)械手的液壓系統(tǒng)這類機(jī)械手屬于非伺服控制機(jī)械手，在只有簡單搬運動作業(yè)功能的機(jī)械手中，常常采用簡單的邏輯控制裝置或編程控制，對機(jī)械手實現(xiàn)有限位的控制。這類機(jī)械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計與其它液壓機(jī)械設(shè)計所考慮的問題大致相同，只是在以下方面須加以重視。1）液壓缸設(shè)計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減少摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。2）定位點的緩沖與制動：因機(jī)械手手臂的運動慣量較大，在定位點前要加緩沖與制動機(jī)構(gòu)或鎖緊裝置。3）對慣性較大的運動軸和接近機(jī)械手末端的腕部運動軸的液壓缸兩側(cè)，最好加設(shè)安全保護(hù)裝置，防止因碰撞過載損壞機(jī)械結(jié)構(gòu)。4.2 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定4.2.1各液壓缸的換壓回路為便于機(jī)械手的自動控制，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，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥需采用中位“O”型換向閥。 合本設(shè)計方案，所有液壓缸都采用“O”型電磁換向閥，如圖4.1所示： a) b) c)圖4.1 a) 伸縮缸，b) 升降缸，c) 回轉(zhuǎn)缸4.2.2 調(diào)速方案整個液壓系統(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速度工作，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進(jìn)油路或回油路節(jié)流調(diào)速，因為系統(tǒng)為中低壓系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調(diào)速。在一般情況下，機(jī)械手的各個部位是分別動作的，手臂回轉(zhuǎn)缸、手腕回轉(zhuǎn)缸和夾緊缸所需的流量較為接近，手臂伸縮缸的流量較大，這兩組缸所需的流量相差較大，這樣可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可選擇雙泵供油系統(tǒng)，本設(shè)計選擇單泵供油系統(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)點是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經(jīng)濟(jì)性好。圖4.2 單泵供油系統(tǒng)4.2.3 減速緩沖回路通用工業(yè)機(jī)械手要求可變行程，在液壓缸的起動和停止的過程中都需要緩沖。如圖所示采用一個二位二通電磁換向閥和一個節(jié)流閥形成緩沖回路。當(dāng)液壓缸運動到希望點時，由位置檢測裝置發(fā)信號給主機(jī)，然后主機(jī)控制電磁閥 1YA 通電切斷二位二通的通路，液壓缸的回路改經(jīng)節(jié)流閥回油箱，增大的回油路的阻力，使液壓缸速度減慢，防止沖擊達(dá)到緩沖目的，這種回路也適用于擺動缸。圖4.3回油節(jié)流緩沖回路4.3 液壓系統(tǒng)的合成在上述主要液壓回路選好后，再加上其它功用的輔助油路（如卸荷、測壓等油路），就可以進(jìn)行合并，完善為完整的液壓系統(tǒng)，并編制液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表。 完整的液壓原理圖和電磁鐵動作順序表如下所示：圖4.4 完整的液壓原理圖表4.1電磁鐵動作順序表電磁鐵1234567891011121314手臂伸縮伸出+伸出緩沖縮回縮回緩沖手臂回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)+正轉(zhuǎn)緩沖反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)緩沖手臂升降伸出+伸出緩沖縮回縮回緩沖手腕回轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)+正轉(zhuǎn)緩沖反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)緩沖手爪夾緊+松開原位卸荷+5 機(jī)械手的可編程控制工業(yè)機(jī)械手的電器控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機(jī)械手的動作，并協(xié)調(diào)機(jī)械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機(jī)械手的工作順序、應(yīng)達(dá)到的位置，如手臂上下移動、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動、手腕上下、左右擺動和回轉(zhuǎn)、手指的開閉動作，以及各個動作的時間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運動部件沿各坐標(biāo)軸的動作按照預(yù)先整定好的程序來實現(xiàn)的。不論自動電氣控制裝置復(fù)雜程度如何，對于生產(chǎn)線及各種功能的機(jī)械手來說，一般都要求電氣控制系統(tǒng)按照預(yù)先規(guī)定的動作程序進(jìn)行順序控制。隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展以及工業(yè)機(jī)械手技術(shù)的不斷成熟，可編程控制器被廣泛應(yīng)用，它的優(yōu)點是運行穩(wěn)定、編程方法簡單易學(xué)、功能強，性能價格比高、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強、無觸點面配線，可靠性高，抗干擾能力強、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少、維修工作量小，維修方便，體積小，能耗低。所以該機(jī)械手采用 PLC 控制。5.1 輸入輸出觸點的分配5.1.1 行程開關(guān)的分配1、推動手臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)液壓缸手臂正轉(zhuǎn)限位：ST1 手臂反轉(zhuǎn)限位：ST22、推動手臂升降的直動液壓缸手臂上升限位：ST3手臂下降限位：ST43、推動手臂伸縮的直動液壓缸手臂伸出限位：ST5手臂縮回限位：ST64、推動手腕回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)液壓缸手腕正轉(zhuǎn)限位：ST7手腕反轉(zhuǎn)限位：ST85、推動手爪夾緊的直動液壓缸手爪松的夾緊缸開由結(jié)構(gòu)限位限位，故不需要限位開關(guān)5.1.2 手動按鈕的分配1、手臂回轉(zhuǎn)控制手臂正轉(zhuǎn)：SB1手臂反轉(zhuǎn)：SB2手臂回轉(zhuǎn)緩沖：SB112、手臂升降控制手臂上升：SB3手臂下降：SB4手臂升降緩沖：SB123、手臂伸縮控制手臂伸出：SB5手臂縮回：SB6手臂伸縮緩沖：SB134、手腕回轉(zhuǎn)控制手腕正轉(zhuǎn)：SB7手腕反轉(zhuǎn)：SB8手腕回轉(zhuǎn)緩沖：SB145、手爪夾緊控制手爪夾緊：SB9手爪松開：SB106、其他啟動：SB15回原點：SB16 連續(xù)：SB17點位控制：SB18停止：SB195.1.3 輸入輸出繼電器的分配1、輸入輸出元件號均用八進(jìn)制數(shù)表示，上述每一個行程開關(guān)和手動按鈕都對應(yīng)一個輸入繼電器，則輸入觸點分配如下：ST1-ST8:X0-X7(按順序一一對應(yīng))。SB1-SB17:X10-X32(按順序一一對應(yīng))。2、輸出觸點分配如下：每個電磁閥對應(yīng)一個輸出繼電器，則1YA14YA：Y0-Y16 (按順序一一對應(yīng))。5.2 外部接線圖根據(jù)觸點數(shù)目，此處選用FX2N-64型可編程控制器，外部接線圖如圖5.1所示：圖5.1 外部接線圖5.3 控制面板設(shè)計此面板提供了一個人機(jī)交互的界面，當(dāng)該機(jī)械手需要調(diào)試和維修的時候就會用到它。當(dāng)然，當(dāng)生產(chǎn)線有暫停的時候，也需要人為的停止和起動。所有的手動按鈕都要設(shè)定在控制面板上。圖5.3 控制面板圖5.4 狀態(tài)控制圖該機(jī)械手在每個周期內(nèi)需要完成上料、進(jìn)入下一工位、翻轉(zhuǎn)工件、回到原點4個主要步驟，如圖5.4所示圖5.4狀態(tài)流程簡圖將每一個主要步驟拆開來，可以得到狀態(tài)流程詳圖，如圖5.5所示：圖5.5狀態(tài)流程詳圖5.5梯形圖根據(jù)狀態(tài)流程詳圖和外部接線圖得出如下5.6所示梯形圖圖5.6 梯形圖結(jié) 論經(jīng)過兩個多月的馬拉松式的緊張設(shè)計，隨著這份說明書的收筆也即將告捷?；叵肫鹪O(shè)計的過程，酸甜酸苦辣一言難盡。雖然時間的緊迫和就業(yè)的壓力始終徘徊在設(shè)計的過程中，但畢竟收獲的喜悅還是勝過了工作的幸勞。非常慶幸能在畢業(yè)之際交上一份令自己滿意的答卷。本次畢業(yè)設(shè)計課題內(nèi)容覆蓋面廣。涉及到機(jī)械等主干課程，通過認(rèn)真實習(xí)、調(diào)查、分析、研究、查閱大量參考資料，順利地完成了此次的畢業(yè)設(shè)計。這次的設(shè)計中，我也發(fā)現(xiàn)自己在基礎(chǔ)課和專業(yè)課上存在的缺陷，在周老師的悉心指導(dǎo)和同組同學(xué)的幫助下，我也逐漸地彌補自己的缺陷，努力將自己的設(shè)計做好。通過此次畢業(yè)設(shè)計，我了解和掌握了機(jī)械手設(shè)計的基本要求、步驟、方法及應(yīng)考慮的有關(guān)問題，并鞏固和深化了大學(xué)四年中幾乎所有專業(yè)知識，培養(yǎng)了科學(xué)的思維、工作方式和理論聯(lián)系實際的能力，更是體會到了相互協(xié)作的工作精神，給即將踏上工作崗位的我們起到一次很好地實戰(zhàn)練兵演習(xí)，為將來的工作打下基礎(chǔ)。在本次設(shè)計中，由謝衛(wèi)容老師指導(dǎo)。謝老師老師工作細(xì)致，嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)，在設(shè)計中給予我了極大的幫助，指導(dǎo)我完成工作。謝老師教給我們一些做事的道理，在以后的生活工作中都是非常有用的，在此表示深沉地謝意！同時，借此機(jī)會謹(jǐn)向教誨過我的老師們表示深深地謝意；向在身后一如既往地支持我的父母表示深深地謝意；向在設(shè)計過程中關(guān)心和幫助我的同學(xué)表示深深地謝意！由于本人設(shè)計經(jīng)驗不足，不妥之處在所難免，水平亦有限，懇請各位老師批評指正。致 謝經(jīng)過兩個多月緊張的工作，我的畢業(yè)設(shè)計終于做完了。在這里，我首先要感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師謝衛(wèi)容老師。我從今年4月份開始在武漢市海波鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司工作，這里沒有雙休，并且經(jīng)常加班，每天工作完后感覺很累，什么都不想做，所以畢業(yè)設(shè)計的進(jìn)度很慢，這期間如果不是謝老師的督促和鼓勵，我想我是很難完成這次畢業(yè)設(shè)計的。在剛拿到“關(guān)節(jié)型機(jī)械手”這個畢業(yè)設(shè)計題目的時候，我感覺一片茫然，不知道從哪里做起，這時謝老師給了我很大的幫助，她指導(dǎo)我該借哪些參考資料以及怎么做。由于公司里很少放假，所以我每次都是通過網(wǎng)絡(luò)將我做的進(jìn)度傳給謝老師，從開題報告到畢業(yè)設(shè)計的初稿我都是這樣傳給謝老師，然后她再根據(jù)我做的提出修改意見，盡管這樣很麻煩，但謝老師每次都盡心做好，這點讓我相當(dāng)敬佩。機(jī)械手的設(shè)計要用到大學(xué)里所學(xué)的各種知識，所以我不光要感謝謝老師，還要感謝大學(xué)四年里我所有的任課老師和同學(xué)，是他們讓我掌握了機(jī)械設(shè)計的各種基礎(chǔ)知識。最后，再次感謝謝老師、各位任課老師、同學(xué)和所有對我的畢業(yè)設(shè)計提供幫助的人，謝謝你們！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，1996.2左健民.液壓與氣壓傳動M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999.3王為.機(jī)械設(shè)計M.湖北：華中科技大學(xué)出版社，2007.4唐增寶.機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計M.湖北：華中理工大學(xué)出版社,1999.5 日加藤一郎.機(jī)械手圖冊M. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979.6第一機(jī)械工業(yè)部機(jī)械研究院機(jī)電研究所編.工業(yè)機(jī)械手圖冊.北京：第一機(jī)械工業(yè)部機(jī)械研究院機(jī)電研究所，1976.7付亞子.機(jī)械手控制系統(tǒng)C.湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.8楊德華.通用機(jī)械手設(shè)計C.湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.9劉晶晶.遙控清污機(jī)器人C.湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.10許睿.多功能機(jī)械手的設(shè)計C.湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.11彭鍵中.水下機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計C.湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.12張亮亮.噴油嘴殼體加工送料機(jī)械手的設(shè)計C.湖北：湖北工業(yè)大學(xué)，2006.13密封技術(shù)網(wǎng)信息中心.常用橡膠密封件的類型和適用條件. 密封技術(shù)網(wǎng)，http:/www.mfw365.com2008-10-7.14密封技術(shù)網(wǎng)信息中心. 活塞桿密封腔體l1用Y形橡膠密封圈的尺寸系列. 密封技術(shù)網(wǎng)，http:/www.mfw365.com2008-10-7.37