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湖南工學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
院 系（教研室）
系（教研室）主任: （簽名）
年 月 日
學(xué)生姓名:
學(xué)號:
專業(yè):
1 設(shè)計（論文）題目及專題：液壓傳動機械手的設(shè)計
2 學(xué)生設(shè)計（論文）時間： 自 3 月 5 日開始至 5 月 30 日止
3 設(shè)計（論文）所用資源和參考資料：
1. 手腕回轉(zhuǎn)角度±115°，手臂伸長量150mm，手臂回轉(zhuǎn)角度±115°，
手臂升降行程170mm，手臂橫向運動行程100mm
2.機械設(shè)計手冊及其相關(guān)資料。
4 設(shè)計（論文）完成的主要內(nèi)容：
1. 傳動系統(tǒng)簡圖
2. 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計和計算；
3．總體裝配圖的設(shè)計；
4．控制原理圖的設(shè)計
5 提交設(shè)計（論文）形式（設(shè)計說明與圖紙或論文等）及要求：
1. 傳動系統(tǒng)圖；單片機控制系統(tǒng)原理圖，液壓控制系統(tǒng)圖，總體裝配圖 ；
2.計算說明書。
6 發(fā)題時間： 2008 年 1 月 8 日
指導(dǎo)教師： （簽名）
學(xué) 生： （簽名）
專業(yè)制造高速鍛造模具
摘要
本文主要討論高速銑削技術(shù)在模鍛工具制造中的貢獻. 在大多數(shù)情況下，模鍛工具制造高速銑削硬化材料比用EDM技術(shù)所得到的鍛造模具更快、更便宜，而且模具質(zhì)量更高,當(dāng)然模具壽命也更長.論文針對制造總過程列出了模鍛工具,銑刀長度與半徑的比這些將對高速銑削策略和技術(shù)有很大的影響. 整個鍛造模具設(shè)計和制造工具是依靠長遠的工作方法來實現(xiàn)的。
@2004 Elsever B.v. 版權(quán)所有
關(guān)鍵詞:高速銑削; 硬銑; 高L/D比; 鍛造模具
1、引言
如今HSC技術(shù)是每個現(xiàn)代化工具制造公司最基本的技術(shù)組成。科技高速船基本組成部分。隨著HSC技術(shù)的引進，模具制造技術(shù)也發(fā)生了改變，主要是模膛的制造,模膛是模具最為重要的部分，所以制造過程中的40﹪時間用于模膛的制造。按客觀模型腔制造技術(shù)的發(fā)展,如銑刀、 模具及相關(guān)產(chǎn)品的參數(shù)考慮,結(jié)合電火花/高速船或完全取代傳統(tǒng)的模具制造技術(shù)模具電火花沉沒 型腔加工[1]. 每個模腔本身也應(yīng)查明其中技術(shù)粗糙高速銑/加工整理或高速銑完全是最有利的生產(chǎn)成本和時間
2、高速電火花和屬性
表[2]列出了高速銑、電火花的優(yōu)缺點以及高速銑削、電火花的局限性. 選擇最適當(dāng)?shù)男颓荒＞呒庸ぜ夹g(shù)能源消耗和生態(tài)也是要重點考慮的。眾所周知的, 電火花技術(shù)需要很大的能耗,因此只有在加工一些產(chǎn)品時，銑刀形狀或模具相關(guān)技術(shù)性能不允許用告速銑削才使用電火花技術(shù)。
從生態(tài)學(xué)的角度看，目前高速銑削優(yōu)于電火花技術(shù)主要基于以下原因：
-少用能源有利于生態(tài)環(huán)境保護.
-永久的減少切削潤滑油和冷卻液將導(dǎo)致干切削.
-為后來的廢物處理和消耗方便電火花過程必須不斷監(jiān)測電解質(zhì)[3]
高速銑削技術(shù)的引進大幅降低制造成型模具制造的時間, 不過電火花和高速銑削技術(shù)并不是不能共存,因為有些電火花技術(shù)能加工出來的幾何形狀是高速銑削所不能作到的。 [3].
3. 熱鍛模具模膛成型制造技術(shù)
鋼熱軋中的材料必須在高溫下能保持足夠的強度，具有抗熱震強度等重要的性能，這些性能都對刀具材料的選擇有影響，因為在工件和模具接觸的區(qū)域存在很高的加工溫度。但其中最重要的但不是唯一最重要的特性就是韌性. 韌性是抵抗模具變形和形成裂縫能力的指標(biāo) [4].
結(jié)合高速銑削技術(shù)和銑削刀具表面鍍鈦新技術(shù)成功地降低了硬削的成本和時間。洛氏硬度在46-62范圍內(nèi)的用于熱鍛的模膛淬硬工具材料的加工就不會用電火花加工。鍛模或深沖模具成形幾乎都可以通過銑削得到。，這樣加工過程中就不會出現(xiàn)加工銳角。硬銑比電火花技術(shù)所得到的效果要好，也不需要電極，表面質(zhì)量也更好。 [2].
3.1長/半徑比例大的硬銑
鍛造零件幾何形狀定義了零件平面,因此需要銑刀長度/直徑比. 后者對加工精度和表面質(zhì)量很大影響.
高主軸速度會增加刀具尖端的振動. 保護刀具壽命和表面質(zhì)量,需要找到高剛度的刀具材料。說到底就是要用盡可能的便用短的刀具，這樣就可以便波動最小，可以得到大范圍面穩(wěn)定的切削中心。 [5].
在圖. 1和2,列出了影響高速銑削的兩個最重要的因素。切削用量的深度ap主要決定于材料的硬度和銑刀強度，后者最要是用長度和直徑比例來定義。
ap: RK2K3
因此切削用量ap可以定義為銑刀半徑R，刀具材料硬度系數(shù)K2及系數(shù)K3的乘積。
當(dāng)材料硬度高達52HRC時刀具材料硬度系數(shù)K2便取0.1到0.12。 材料硬度更高低于62HRC的情況下系數(shù)K2的取值0.04至0.05.
當(dāng)L/D=5時細(xì)系數(shù)K3的值為1，當(dāng)L/D=10時其值迅速減致0.1。因此當(dāng)L/D>10高速銑削硬材料時須采取特殊措施 [6].
另一方面, 能夠采取光切削的和使用精密刀具提高了銑削的能力，精密刀具與其刀具半徑有很大的關(guān)系。這至少在以下兩方面有利：
-銑深腔或銑深槽
-用尺寸小的刀具銑削表面質(zhì)量要求高的特征[5].
在銑刀長度/直徑比較大時，刀具在切削過程中的擺動增大，這可能導(dǎo)致工件脫離銑刀和刀具剛度降低。刀具擺動和銑削方案將會影響尺寸精度和加工表面粗糙度。高速干銑削硬度為50HRC的材料是非常成功的 [7].
4.工業(yè)實例中的硬銑深腔、精密成型
4.i. 典型工業(yè)鍛造模具性情
在圖. 3中例出了淺模鍛造模具，是用優(yōu)質(zhì)鋼淬硬到50HRC的材料制造的，用于確定的M16平板的熱鍛模制造。
表2例出了用于熱加工的工具鋼的化學(xué)結(jié)構(gòu)。所有的合金元素都是在典型的熱軋工具鋼的標(biāo)準(zhǔn)化范圍內(nèi)鍛造工藝是基于兩個階段鍛造. 在圖. 4及5中列出了鍛造階段及一些細(xì)節(jié)。
4.2加工技術(shù)
表3是加工模膛具體部位的參數(shù)。
應(yīng)用硬質(zhì)合金球頭端銑刀具U5286d4r2精加工模具內(nèi)腔 (列圖. 4)，即在圖. 6.中所示的為刀桿以下部分直徑較小的切割銑刀， 適合銑垂直端面。否則銑刀柄會接觸到已加工表面,會造成嚴(yán)重?fù)p傷已加工表面和刀具。小脛刀桿長度可通過額外精磨得到.
表4給出切割的幾何形狀和一些典型的需要硬銑的幾何形狀。自由角α取最小值，前角γ可忽略，這樣可得到較高的切削穩(wěn)定性但前刀面的磨損卻較大，表面銑要求較鋒利的銑刀。應(yīng)用的L/D的值是一個臨界值，這適合于大部分正常情況下的硬銑。
在圖.7列出了滲碳球頭端銑刀具OSG FXRB-EBD D0.6R0.3，用于余量銑削，詳細(xì)信息如圖5所示。所應(yīng)用的L/D值高達30。銑削刀具是將刀桿直徑減少到一定的直徑，但刀桿直徑必須足夠大以保證能與夾具相接觸。如圖8所示為一個更好的小刀桿銑刀例子，其直徑是通過一個角度逐漸減少的，這樣可以更好保證刀具剛度。在這種情況下L/D值準(zhǔn)確率不能成立.
硬磨技術(shù)是基于高頻重復(fù)光切削,這是由軸向和徑向切削深度和進給量所確定的. 表3介紹軸向和徑向切削深度尤其適合所推薦的銑刀. 在圖. 9介紹了徑向和軸向切削深度的定義.
高速銑削得到的鍛造模具要比相同電火花加工鍛造模的使用壽命長大約30%.
5. 經(jīng)驗工作
為不斷優(yōu)化鍛造模具制造中高速銑削和硬切削技術(shù)，工業(yè)生產(chǎn)上積累了不少經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了成型工具制造經(jīng)驗系統(tǒng)。主要目的是為了方便確定精加工成型模膛表面時的銑刀的L/D值。
制備實驗系統(tǒng)以列出所有業(yè)界的合理的經(jīng)驗值.平均熱模鍛工具類典型材料和硬度、幾何平均腔表面質(zhì)量要求和制造技術(shù)都有待研究.
試驗的目的是基于采取快速拍攝來確定銑刀在銑選擇不同的L/D值來銑削典型的表面的過程中其擺動.
5. 1.實驗零件的準(zhǔn)備
如圖. 10所示為實驗零件的草田圖. 零件的材料是用于熱加工的工具鋼wnr.1.2344淬硬到50HRC。此零件上有三個不同方向的典型加工表面，代表了模具型腔三個不同的加工表面：
-水平面
-曲面過渡
-垂直表面.
所有的表面都要經(jīng)過磨，為了保證典型零件的精確定位及在相同銑削參數(shù)下使用不同角度的平面和不同的L/D值。
5.2加工技術(shù)
選用三板斧高速銑硬質(zhì)合金球頭銑刀鍍鈦來完成硬銑。
制造模膛時銑刀直徑的選擇取決于其細(xì)節(jié).在一個實驗中選擇了直徑4毫米的銑刀,因此它可應(yīng)用于大多數(shù)模膛的加工。若刀桿直徑與零件直徑一樣大，那么便可使得銑刀的L/D值的選擇計算變得精簡。同時銑刀的偏差可像刀桿直徑更大的銑刀那樣集中，這可以使銑削過程中銑刀的穩(wěn)定性增強。
如前所述,目的是觀察在表面處理過程中所需的實驗條件,調(diào)整加工技術(shù)以得到特定類型的切割過程.
所有切削參數(shù)是根據(jù)銑刀生產(chǎn)者所為單獨的不同傾斜面的推薦的參數(shù)[11]. 只要選定了三個不同傾斜面的參數(shù)ap和ae那么切屑的理論厚度便都是一樣的，這里就不再考慮切削力的影響。綜全考慮不同的方案干切是最好的選擇。
在圖. 11所示的是順銑和逆銑。當(dāng)切削刃是向下銑時那么切屑的厚度便取其最大值，而反過來則取最小值。
順銑要比逆銑在切削過程中產(chǎn)生更多的熱量，因為順銑時的摩擦比較大。
因此,在現(xiàn)代高速銑逆銑用得較普遍. 盡管它需要較大的切削力使得切削過程中用力較大但它仍能保證較少的刀具磨損?，F(xiàn)在的刀具都具有較高的剛度，這就是為什么允許使用逆銑的原因。
5.3測量實現(xiàn)
所的實驗都知道立銑中心Mori Seike Frontier-M.在圖12描述了測試零件的尺寸鏈. 用攝像機銑削過程中所有現(xiàn)象和曲面及L/D值都能完全演示出來。將已接收的偏差信息圖片進行分析，由此銑刀的基本信息便可分析出來。完成模擬制造后，加工表面的表面粗糙度也得出來了。
5.4 結(jié)果
表6列出了測量的偏差值。每個具體的偏差值是三次相同表面傾角和L/D值切削值的平均值。這個值并不包括第一次切削值，因為第一次的切削的偏差值會比較大，在實踐中第一次的切屑會比較厚而且會得到不同形狀的切屑。
選擇較小的L/D值其偏差值也會較小，但不同傾斜角度這間的偏差值相差不大。代表幾乎是水平面的兩個L/D值所引起的偏差是最大的。這是因球鼻銑刀中心的切削條件太惡劣所導(dǎo)致的，特別是在拋光模膛表面這種小切削量的加工過程中尤其明顯。
其它兩個傾斜角度的平面的偏差更大，由此推出了球鼻銑刀用側(cè)面銑削的法則。獲得的數(shù)據(jù)可由銑刀的傾角β=10-20°來分析，這樣可得出最好的切削結(jié)果所需切削條件。球頭端銑銑削傾斜角不變的平面的情況可應(yīng)用于五板平板銑削技術(shù)。
由于加工表面粗糙度橫向和縱向的Ra值可確定銑削路徑。圖13和14所示的是L/D=7時所測得的工表面粗糙度。圖15和16所示的是同樣條件下L/D=10時的值。大體來說，L/D=10和橫截面所應(yīng)用的特殊的L/D值時的表面粗糙度Ra值會比較大，根據(jù)每種不同的L/D值與一定角度增加所引起的Ra值變化可確定平面的傾角的變化量。
水平面的最大銑削偏差不會導(dǎo)致最高的表面粗糙度。相反，最低表面粗糙度卻一定是因球頭端銑刀中心的切削條件引起的。
由于尺寸精度而產(chǎn)生了偏差。L/D=10 的平均尺寸精度在緞造中還是可以接受的。
6. 總結(jié)和展望
一般而言,在允許的情況下會盡可能的減少電火花加工技術(shù)的應(yīng)用。因此高速銑技術(shù)與兩個極限應(yīng)用,硬銑和高L/D值銑日益取代了電火花加工制造技術(shù)在模膛一些特征的加工。低切削力高速加工,確保了產(chǎn)品的的質(zhì)量[14].
合適的L/D值還取決于材料硬度、尺寸精度要求、表面粗糙度要求及最小內(nèi)徑要求?，F(xiàn)階段粗糙度要求適中和較低的加工的L/D值的選取都是比較方便的。
選擇較高的L/D值來精加工模膛表面的主要問題是接近垂直的表面的粗糙度，這種子情況下銑刀的偏差將對表面粗糙度和尺寸精度有很大的影響。
至于銑刀具磨損水平表面，特別是在三板銑切削中球頭端銑中心的切削條件很惡劣時尤為嚴(yán)重。五板銑現(xiàn)在還在研究階段，因為其成本很高而且很容易發(fā)生刀具斷裂。
參考資料（略）
湖南科技大學(xué)2007屆畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題 目
平面關(guān)節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計
作者姓名
學(xué)號
專 業(yè)
1、本課題所涉及的問題在國內(nèi)(外)的研究現(xiàn)狀綜述
工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
1．? 工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。
2．? 機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
3．? 工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
4．? 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
5．? 機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。
2、研究目標(biāo)、內(nèi)容和擬解決的關(guān)鍵問題（根據(jù)任務(wù)要求進一步具體化）
目標(biāo)：設(shè)計一平面關(guān)節(jié)機器人的部分功能
內(nèi)容：1、圖紙
（1）手部結(jié)構(gòu)裝配圖（2）傳動線路圖 等
2、說明書
擬解決的關(guān)鍵問題：
機械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算及控制回路 結(jié)構(gòu)圖及控制電路圖等
3、擬采取的研究方法、步驟及解決思路
研究方法：查閱資料
老師指點
應(yīng)用相關(guān)軟件，完成產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、零部件和整體設(shè)計
步驟：（1）分析平面關(guān)節(jié)機器人的結(jié)構(gòu)與參數(shù)
（2）確定設(shè)計總體方案
（3）確定具體設(shè)計方案（包括手部結(jié)構(gòu)的選擇，液壓控制系統(tǒng)設(shè)計和計算，X、Y軸步進電機驅(qū)動傳動機構(gòu)的設(shè)計和計算等）
（4）手部裝配圖的繪制、控制原理圖、總體裝配圖的繪制
（5）說明書的整理
4、使用的主要儀器設(shè)備及工具
測繪工具----游標(biāo)卡尺、直尺等
計算機-----主要用Protel , AutoCAD等繪圖軟件
繪圖工具----圖板、丁字尺、鉛筆、三角板等
5、參考文獻
1. 張建民.工業(yè)機器人[B] .北京：北京理工大學(xué)出版社，1992-5，242.
2. 馬香峰.機器人結(jié)構(gòu)學(xué)[B].北京：機械工業(yè)出版社，1991-9，274.
3. [俄]IO.M.索羅門采夫.工業(yè)機器人圖冊[B].北京：機械工業(yè)出版社 ，1993-5，149.
4.黃繼昌、徐巧魚、張海貴等.實用機械機構(gòu)圖冊[B].北京：人民郵電出版社，1996-6，498.
5. 天津大學(xué)《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》編寫組. 工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)[B] .天津科學(xué)技術(shù)出版社，1981-10，595
注：
1、開題報告是本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）的一個重要組成部分。學(xué)生應(yīng)根據(jù)畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書的要求和文獻調(diào)研結(jié)果，在開始撰寫論文之前寫出開題報告。
2、參考文獻按下列格式（A為期刊，B為專著）
A：[序號]、作者（外文姓前名后，名縮寫，不加縮寫點，
3、人以上作者只寫前3人，后用“等”代替。）、題名、期刊名（外文可縮寫，不加縮寫點）年份、卷號（期號）：起上頁碼。
B：[序號]、作者、書名、版次、（初版不寫）、出版地、出版單位、出版時間、頁碼。
4、表中各項可加附頁。
0 LD X001
1 OR M0
2 OUT M0
3 OUT Y016
4 LD X001
5 OR M1
6 ANI M2
7 ANI M3
8 OUT M1
9 LD X002
10 OR M2
11 ANI M1
12 OUT M8
13 LD M1
14 OR T7
15 AND M0
16 ANI M2
17 OUT M3
18 LD M3
19 OR Y007
20 ANI M4
21 ANI M5
22 OUT T0 K2
25 OUT Y007
26 LD T0
27 OR Y001
28 ANI X011
29 OUT Y001
30 LD X011
31 OR Y002
32 ANI T1
33 OUT Y002
34 OUT T1 K2
37 NOP
38 NOP
39 NOP
40 NOP
41 NOP
42 LD T1
43 OR Y003
44 AIN X007
45 OUT Y003
46 LD X007
47 OR Y001
48 ANI X012
49 OUT Y001
50 LD X012
51 OR Y014
52 ANI X013
53 OUT Y014
54 LD X013
55 OR Y005
56 ANI X003
57 OUT Y005
58 LD X003
59 MPS
60 ANI T2
61 OUT T2 K2
64 MPP
65 ANI X005
66 OUT M4
67 LD T2
68 OR Y010
69 ANI X005
70 OUT Y010
71 LD X005
72 ANI T3
73 OUT T3
76 LD T3
77 OR Y000
78 ANI X011
79 OUT Y000
80 LD X011
81 OUT T4
84 ANI T4
85 OUT Y012
86 LD T4
87 OUT T5
90 ANI T5
91 OUT Y002
92 LD T5
93 OR Y001
94 ANI X012
95 OUT Y001
96 LD X012
97 OR Y004
98 ANI X010
99 OUT Y004
100 LD X010
101 OR Y006
102 ANI X004
103 OUT Y006
104 LD X004
105 MPS
106 ANI T7
107 OUT M5
108 MPP
109 OUT T6 K2
112 LD T6
113 OR Y011
114 ANI X006
115 OUT Y011
116 LD X006
117 OR Y015
118 ANI X014
119 OUT Y015
120 LD X014
121 OUT Y011
122 OUT Y012
123 OUT T7 K5
液壓傳動機械手的設(shè)計
機械設(shè)計制造及其自動化 指導(dǎo)老師：
摘 要 本次設(shè)計的液壓傳動機械手根據(jù)規(guī)定的動作順序，綜合運用所學(xué)的基本理論、基本知識和相關(guān)的機械設(shè)計專業(yè)知識，完成對機械手的設(shè)計，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng)圖、PLC控制系統(tǒng)原理圖。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構(gòu)中，機械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，立柱的轉(zhuǎn)動采用齒條油缸，機械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動油缸；在PLC控制回路中，采用的PLC類型為FX2N，當(dāng)按下連續(xù)啟動后，PLC按指定的程序，通過控制電磁閥的開關(guān)來控制機械手進行相應(yīng)的動作循環(huán)，當(dāng)按下連續(xù)停止按鈕后，機械手在完成一個動作循環(huán)后停止運動。
本設(shè)計擬開發(fā)的上料機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。
關(guān)鍵詞 機械手、液壓、控制回路、PLC
The design of the hydraulic manipulator
Machine Design & Manufacture and Automation Instructor :
Abstract The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign.
The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .
Keywords Manipulator 、Hydraulic、Control Loop 、PLC
46
目 錄
1 前言
1.1 工業(yè)機器人簡介----------------------------------------------------------（1）
1.2 世界機器人的發(fā)展--------------------------------------------------------（1）
1.3 我國工業(yè)機器人的發(fā)展----------------------------------------------------（2）
1.4 我要設(shè)計的機械手--------------------------------------------------------（2）
1.4.1 臂力的確定---------------------------------------------------------------------------------------（2）
1.4.2工作范圍的確定----------------------------------------------------------------------------------（2）
1.4.3 確定運動速度--------------------------------------------------------（3）
1.4.4 手臂的配置形式------------------------------------------------------（3）
1.4.5 位置檢測裝置的選擇--------------------------------------------------（4）
1.4.6 驅(qū)動與控制方式的選擇------------------------------------------------（4）
2 手部結(jié)構(gòu)------------------------------------------------------------------------------------------（5）
2.1概述-------------------------------------------------------------------------------------------------------（5）
2.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題----------------------------------------------------------------------------（5）
2.3 驅(qū)動力的計算 -----------------------------------------------------------------------------------------（5）
2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析------------------------------------------------------------（8）
3 腕部的結(jié)構(gòu)---------------------------------------------------------------------------------------（9）
3.1 概述------------------------------------------------------------------------------------------------------（9）
3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式--------------------------------------------------------------------------------------（9）
3.3手腕驅(qū)動力矩的計算-----------------------------------------------------（10）
4 臂部的結(jié)構(gòu)-------------------------------------------------------------------------------------（13）
4.1 概述----------------------------------------------------------------------------------------------------（13）
4.2手臂直線運動機構(gòu)-----------------------------------------------------------------------------------（13）
4.2.1手臂伸縮運動------------------------------------------------------------------------------------（14）
4.2.2 導(dǎo)向裝置---------------------------------------------------------------------------------------（14）
4.2.3 手臂的升降運動-------------------------------------------------------------------------------（15）
4.3 手臂回轉(zhuǎn)運動----------------------------------------------------------------------------------------（16）
4.4 手臂的橫向移動-------------------------------------------------------------------------------------（16）
4.5 臂部運動驅(qū)動力計算------------------------------------------------------------------------------（17）
4.5.1 臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算------------------------------------------------------------（17）
4.5.2 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算------------------------------------------------------------（18）
4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算---------------------------------------（18）
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計-----------------------------------------------------------------------------（20）
5.1液壓系統(tǒng)簡介---------------------------------------------------------------------------------------（20）
5.2液壓系統(tǒng)的組成------------------------------------------------------------------------------------（20）
5.3機械手液壓系統(tǒng)的控制回路---------------------------------------------（20）
5.3.1 壓力控制回路-------------------------------------------------------------------------------（20）
5.3.2 速度控制回路-------------------------------------------------------------------------------（21）
5.3.3 方向控制回路-----------------------------------------------------------------------------------（21）
5.4 機械手的液壓傳動系統(tǒng)----------------------------------------------------------------------------（21）
5.4.1 上料機械手的動作順序----------------------------------------------------------------------（22）
5.4.2 自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理介紹-------------------------------------------------------（22）
5.5機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算-----------------------------------------------（24）
5.5.1 雙作用單桿活塞油缸------------------------------------------------（25）
5.5.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）----------------------------------（27）
5.5.3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 ---------------------------------------------------（29）
5.5.4 油泵的選擇--------------------------------------------------------（30）
5.5.5 確定油泵電動機功率N ----------------------------------------------（31）
6 PLC控制回路的設(shè)計-----------------------------------------------------------------------（32）
6.1 電磁鐵動作順序-------------------------------------------------------------------------------------（32）
6.2 現(xiàn)場器件與PLC內(nèi)部等效繼電器地址編號的對照表---------------------------------------（33）
6.3 PLC與現(xiàn)場器件的實際連接圖------------------------------------------------------------------（34）
6.4 梯形圖-------------------------------------------------------------------------------------------------（35）
6.5 指令程序-----------------------------------------------------------------------------------------------（36）
7 結(jié)束語 -----------------------------------------------------------------------------------------------------（41）
8參考文獻--------------------------------------------------------------------------------------------------（42）
9致 謝 ---------------------------------------------------------------------------------------------------（43）
液壓傳動機械手的設(shè)計
摘 要 本次設(shè)計的液壓傳動機械手根據(jù)規(guī)定的動作順序，綜合運用所學(xué)的基本理論、基本知識和相關(guān)的機械設(shè)計專業(yè)知識，完成對機械手的設(shè)計，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng)圖、PLC控制系統(tǒng)原理圖。機械手的機械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機械器件組成；在液壓傳動機構(gòu)中，機械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，立柱的轉(zhuǎn)動采用齒條油缸，機械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動油缸；在PLC控制回路中，采用的PLC類型為FX2N，當(dāng)按下連續(xù)啟動后，PLC按指定的程序，通過控制電磁閥的開關(guān)來控制機械手進行相應(yīng)的動作循環(huán)，當(dāng)按下連續(xù)停止按鈕后，機械手在完成一個動作循環(huán)后停止運動。
本設(shè)計擬開發(fā)的上料機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。
關(guān)鍵詞 機械手、液壓、控制回路、PLC
The design of the hydraulic manipulator
Abstract The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign.
The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .
Keywords Manipulator 、Hydraulic、Control Loop 、PLC
1 前言
1.1 工業(yè)機器人簡介
幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械偶人。
到了近代 ，機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。
工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工 業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
1.2世界機器人的發(fā)展
國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
（1）. 工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。
（2）．機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。
（3）．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
（4）．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
（5）．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。
（6）．當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
(7)．機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。
1.3 我國工業(yè)機器人的發(fā)展
有人認(rèn)為，應(yīng)用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻。
我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。
我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。
1.4 我要設(shè)計的機械手
1.4.1 臂力的確定
目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.5~3，本機械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為±1mm。
1.4.2 工作范圍的確定
機械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡是幾個動作的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定機械手的最大行程。本機械手的動作范圍確定如下：
手腕回轉(zhuǎn)角度±115°
手臂伸長量150mm
手臂回轉(zhuǎn)角度±115°
手臂升降行程170mm
手臂水平運動行程100mm
1.4.3 確定運動速度
機械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度。液壓上料機械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)，平移等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內(nèi)完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對分配的方案進行比較，才能確定。
機械手的總動作時間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進行，要按時間長的計算，分配各動作時間應(yīng)考慮以下要求：
① 給定的運動時間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間；
② 伸縮運動的速度要大于回轉(zhuǎn)運動的速度，因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一般大于伸縮運動的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運動速度。機械手的運動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。
③ 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動作的同步。
液壓上料機械手的各運動速度如下：
手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 = 40°/s
手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s
手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 = 40°/s
手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s
立柱水平運動速度 V柱移 = 50 mm/s
手指夾緊油缸的運動速度 V夾 = 50 mm/s
1.4.4 手臂的配置形式
機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用機座式。機座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機器人所采用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機座底部也可以安裝行走機構(gòu)，已擴大其活動范圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式，本機械手采用手臂配置在機座立柱上的形式。手臂配置在機座立柱上的機械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運動，工作范圍較大。
1.4.5 位置檢測裝置的選擇
機械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機械手采用行程開關(guān)式。利用行程開關(guān)檢測位置，精度低，故一般與機械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機械手中，用行程開關(guān)與機械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應(yīng)用也是最多的。
1.4.6 驅(qū)動與控制方式的選擇
機械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。
控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機械手外，大多數(shù)機械手均需進行專門的控制系統(tǒng)的設(shè)計。
驅(qū)動方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。
參考《工業(yè)機器人》表9-6和表9-7，按照設(shè)計要求，本機械手采用的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，控制方式為固定程序的PLC控制。
2 手部結(jié)構(gòu)
2.1概述
手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機構(gòu)組成。其傳力機構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。
2.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題
①應(yīng)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(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
②手指間應(yīng)有一定的開閉角
兩個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。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。
③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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應(yīng)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(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。
⑤應(yīng)考慮被抓取對象的要求
應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計和確定手指的形狀。
2.3 驅(qū)動力的計算
1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座
圖1 滑槽杠桿式手部受力分析
如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0
P=2P1cosα
P1=P/2cosα
銷軸對手指的作用力為p1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得
P1′h=Nb
因 h=a/cosα
所以 P=2b(cosα)N/a
式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。
α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。
由上式可知，當(dāng)驅(qū)動力P一定時，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過大會導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取α=30°~40°。這里取角α=30度。
這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》中表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力P實際應(yīng)按以下公式計算，即：
P實際=PK1K2/η
式中 η——手部的機械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2
K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。
本機械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°,α=30°時，拉緊油缸的驅(qū)動力P和P實際計算如下：
根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計算公式
N=0.5G
把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為
N=49（N）
由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式
P=2b(cosα)N/a 得
P=P計算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N)
P實際=P計算K1K2/η
取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1
則 P實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)
2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析
圖2 帶浮動鉗口的鉗爪
鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為x,則
x=
當(dāng)工件直徑變化時,x的變化量即為定位誤差△,設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時,其最大定位誤差為
△ =∣-∣
其中l(wèi)=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm
代入公式計算得
最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8
故符合要求.
3 腕部的結(jié)構(gòu)
3.1 概述
腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計腕部時要注意以下幾點：
① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。
② 轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。
③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題
④ 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。
另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。
3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式
本機械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為±115°.
如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)運動。
圖3 機械手的腕部結(jié)構(gòu)
3.3手腕驅(qū)動力矩的計算
驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算：
M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 （N.m）
式中 M驅(qū)——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩
M慣——慣性力矩 （N.m）
M偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m）
M摩——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m）
圖4 腕部回轉(zhuǎn)力矩計算圖
⑴ 摩擦阻力矩M摩
M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m）
式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.02，滑動軸承取f=0.1；
N1 、N2 ——軸承支承反力 （N）；
D1 、D2 ——軸承直徑（m）
由設(shè)計知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020時
M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2
得 M摩 =2.50（N.m）
⑵ 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏
M偏 =G1 e （N.m）
式中 G1——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，M偏為零
當(dāng)e=0.020，G1=98N時
M偏 =1.96 （N·m）
⑶ 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣
① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時，可用下式計算M慣
M慣 =（J+J工件） （N·m）
式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）
T——手腕啟動過程中所用時間（s），（假定啟動過程中近為加速運動）
J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）
J工件——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （kg·m）
按已知計算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2
故 M慣 = 1.3（N·m）
② 當(dāng)知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣：
M慣=（J+J工件） （N·m）
式中 ——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）;
——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）。
考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取
M =1.1∽1.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m）
M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m）
4 臂部的結(jié)構(gòu)
4.1 概述
臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的。；立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C械手的工作性能，所以必須根據(jù)機械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部時一般要注意下述要求：
① 剛度要大 為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。
② 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。
③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。
④ 運動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。
4.2手臂直線運動機構(gòu)
機械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運動的機構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)、絲桿螺母機構(gòu)以及活塞缸和連桿機構(gòu)。
4.2.1手臂伸縮運動
這里實現(xiàn)直線往復(fù)運動是采用液壓驅(qū)動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂機構(gòu)中應(yīng)用比較多。如下圖所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線運動。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動，以防止手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊?？捎糜谧ブ卮蟆⑿谐梯^長的場合。
圖5 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)
4.2.2 導(dǎo)向裝置
液壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮（或升降）運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)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的作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。目前采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿和其他的導(dǎo)向裝置，本機械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機構(gòu)。
雙導(dǎo)向桿配置在手臂伸縮油缸兩側(cè)，并兼做手部和手腕油路的管道。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。
如圖5所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。如圖4.3.2所示，在導(dǎo)向桿1的尾端用支承架4將兩個導(dǎo)向桿連接起來，支承架的兩側(cè)安裝兩個滾動軸承2，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動時，支承架上的滾動軸承就在支承板3的支承面上滾動。
圖6 雙導(dǎo)向桿手臂結(jié)構(gòu)
4.2.3 手臂的升降運動
如圖6所示為手臂的升降運動機構(gòu)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠4做上下運動，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動套筒3做升降運動。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵9實現(xiàn)。圖中6為位置檢測裝置。
圖7 手臂升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖
4.3 手臂回轉(zhuǎn)運動
實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。本機械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，如圖6所示，回轉(zhuǎn)運動由齒條活塞桿8驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動，再通過缸體上的平鍵9帶動外套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。
4.4 手臂的橫向移動
如圖7所示為手臂的橫向移動機構(gòu)。手臂的橫向移動是由活塞缸5來驅(qū)動的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺1用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過兩塊連接板3用螺釘固定在滑座2上。當(dāng)活塞缸5通壓力油時，其缸體就帶動滑臺1，沿著燕尾形滑座2做橫向往復(fù)運動。
圖8 手臂橫向移動機構(gòu)
4.5 臂部運動驅(qū)動力計算
計算臂部運動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進去。機械手工作時，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。
4.5.1 臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算
手臂做水平伸縮運動時，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Pq可按下式計算：
Pq = Fm + Fg (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦阻力；
Fg——啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算：
Fg = a (N)
式中 W ——手臂伸縮部件的總重量 （N）；
g ——重力加速度（9.8m/s）;
a ——啟動過程中的平均加速度（m/s），
而 a = (m/s)
△v ——速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就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。
當(dāng)Fm=80N,W=1098（N），△V = 500mm/s時，
Pq = 80+* =80+112=192 (N)
4.5.2 臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算
手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅(qū)動力Pq可按下式計算：
Pq = Fm + Fg ± W (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦力（N）；
Fg——啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算；
W——臂部運動部件的總重量（N）；
±——上升時為正，下降時為負(fù)。
當(dāng)Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W =1098N時
Pq=40+100+1098=1238（N）
4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算
臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動力矩Mq可按下式計算：
Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m)
式中 Mm——各支承處的總摩擦力矩；
Mg——啟動時慣性力矩，一般按下式計算：
Mg = J (N·m)
式中 J——手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）;
——回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）;
△t——回轉(zhuǎn)臂啟動時間（s）
當(dāng)Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m)
Mq = 1.3*116=150.8(N·m)
對于活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細(xì)計算，因為這些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對總的計算結(jié)果影響也較大，對于小零件則可作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動慣量，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量忽略不計。對于形狀復(fù)雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進行計算，其中有的部分可當(dāng)作質(zhì)點計算?？梢詤⒖肌豆I(yè)機器人》表4-1。
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計
5.1液壓系統(tǒng)簡介
機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。
5.2液壓系統(tǒng)的組成
液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：
① 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。
② 液動機 壓力油驅(qū)動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運動的液動機一般叫作油馬達，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動機，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。
③ 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。
5.3機械手液壓系統(tǒng)的控制回路
機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。
5.3.1 壓力控制回路
① 調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。
② 卸荷回路 在機械手各油缸不工作時，油泵電機又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負(fù)荷下工作，所以采用卸荷回路。此機械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。
③ 減壓回路 為了是機械手的液壓系統(tǒng)局部