曲軸搬運機械手機電系統(tǒng)設計

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工業(yè)機器手的發(fā)展現代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現和主從控制方式、能適應產品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝一回轉長臂，端部安裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國機械鑄造公司在上述方案的基礎之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(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標式通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。瑞士RETAB公司生產一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。日本是工業(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，大力研究機械手的研究。據報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年個大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產值達443億日元，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、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經出現了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機器人智能化水平的提高，機器人的應用范圍還在不斷地擴大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進而推廣到機械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造等領域中。1.1.2 工業(yè)機器人的分類 表1.1 機器人分類分類名稱簡要解釋操作型機器人能自動控制，可重復編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關自動化系統(tǒng)程控型機器人按預先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作示教再現型機器人通過引導或其他方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復進行工作數控型機器人不必使機器人動作，通過數值、語言等對機器人進行示教，機器人根據示教后的信息進行作業(yè)感覺控制型機器人利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作適應控制型機器人機器人能適應環(huán)境變化，控制自身的行為學習控制型機器人機器人能“體會”工作經驗，具有一定的學習能力，并能將所“學”的經濟用于工作中智能機器人以人工智能決定其行為的機器人關于機器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標準，有的按負載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結構分，有的按應用領域分。一般的分類方式如上表1.1所示：1.1.3 工業(yè)機械手的應用工業(yè)機械手是伴隨工業(yè)生產和科學技術的發(fā)展，特別是電子計算機的廣泛應用而迅速發(fā)展起來的一門新興技術裝備。它綜合應用了機械，電子，自動控制等先進技術以及物理，生物等學科的基礎知識，以實現機械化與自動化的有機結合而廣泛應用在工業(yè)生產的各個部門。工業(yè)機械手是工業(yè)生產發(fā)展中的必然產物。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預定要求輸送工件和握持工具進行操作的自動化技術裝備。這種新穎技術裝備的出現和應用，對實現工業(yè)生產自動化，推動工業(yè)生產的進一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。工業(yè)上應用的機械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結構形式亦各有不同，技術復雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂，手腕和手的部分動作及功能；一般都能按預定程序，自動地，重復循環(huán)地進行工作。此外，還有些非自動化的裝備，具有與人體上肢類似的部分動作，結構上與工業(yè)機械手是一致的，亦可歸屬于工業(yè)機械手的范疇。例如，早期就有一種由人直接用繩索牽引進行操作的隨動機械手和近期發(fā)展起來的由人工進行操作的機械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遙控的非自動的單循環(huán)的機械手等。實踐證明，工業(yè)機械手可以代替人的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，改善勞動條件，提高勞動生產率和生產自動化水平。工業(yè)生產中經常出現的笨重工件的搬運和長期，頻繁，單調的操作，采用機械手是有效的；此外，它還能在高溫，低溫，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染環(huán)境條件下進行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。1.2 國內外發(fā)展的狀況國內工業(yè)機器人市場具有如下特征：（1）國內汽車業(yè)。汽車制造業(yè)屬于技術、資金密集型產業(yè)，也是自動化程度要求高、競爭相當激烈的行業(yè)?？梢哉f，汽車工業(yè)的發(fā)展史近幾年我國工業(yè)機器人增長的主要原動力之一。（2）沿海經濟發(fā)達地區(qū)。國內相當數量的企業(yè)技術實力得到很大提高，生產設備更新?lián)Q代，為了更好地適應市場經濟發(fā)展的需要，提高生產率，提高產品質量和企業(yè)競爭力，改善工人勞動條件，企業(yè)對工業(yè)機器人的需求不斷增加。（3）外商獨資企業(yè)、中外合資企業(yè)。外商獨資或中外合資企業(yè)自動化程度一般比較高，導致工業(yè)機器人的需求量較大。（4）國內一些現代化水平比較高的企業(yè)。國內一些汽車廠、軍工企業(yè)、船舶行業(yè)等。1.3 本課題的預期結果在生產實踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進行合理的安排，組成一條自動流水加工線。但在流水線上加工時，需要許多工人搬運工件，有時勞動強度較大。當生產效率很高時，為了減少工人數量，改善工人的勞動條件，提高勞動生產率這就需要使自動線上工件搬運自動化。于是針對這一問題就提出了要研制一種通過電氣控制的搬運機械手來代替工人實現工件的搬運上線，并且能滿足定位和重復定位精度。用搬運機械手來代替工人搬運工件可以減輕工人的勞動強度，減少自動線上的工人數目，減輕工作量，同時也提高了生產效率并且精度也得到了保障。而事實上，在生產領域真正用來加工的時間一般不大于整個生產時間的10，大部分時間是用在了工件的搬運、裝夾等輔助工序上。從這個方面可以看出研制一種自動化搬運機械手的迫切性和重要性，它能大大提高生產的效率。 第2章 機械手的總體設計2.1 設計要求某生產線上搬運工件原由人工完成, 勞動強度大、生產效率低。為了提高生產線的工作效率, 降低成本, 使生產線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng), 適應現代自動化大生產, 針對具體生產工藝, 利用機器人技術, 設計用一臺搬運機械手代替人工工作。該機械手能完成如下的動作循環(huán)：手臂前伸手指夾緊抓料手臂上升手臂縮回機身回轉手腕回轉手臂下降手臂前伸手指松開手臂縮回機身回轉復位手腕回轉復位待料。工作對象為50100mm，重量為4060kg的曲軸，定位精度為1。2.2 機械手的總體設計方案2.2.1 機械手的組成及各部分關系機械手由三大部分（機械部分、液壓部分、控制部分）六個子系統(tǒng)（驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)）組成。機械結構系統(tǒng)：機器人的機械結構又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機身（立柱）、機座。驅動系統(tǒng)：驅動器是把從動力源獲得的能量變換成機械能，使機器人各關節(jié)工作的裝置，常見的驅動形式有步進電機驅動、直流電機驅動、交流電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動以及近些年出現的一些特殊的新型驅動（例如超聲波驅動、磁致伸縮驅動、靜電驅動等）?？刂葡到y(tǒng)：機器人的控制方式多種多樣，根據作業(yè)任務不同，主要可分為點位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。2.2.2總體設計任務(1) 結構形式的設計: 機械手常見的運動形式有1）直角坐標型2）圓柱坐標型3）球坐標（極坐標）型4）關節(jié)型（回轉坐標）型5）平面關節(jié)型五種。圓柱坐標型是由三個自由度組成的運動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標型比較，在相同的空間條件下，機體所占體積小，而運動范圍大。直角坐標型，其運動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標軸上直接讀出，直觀性強，易于位置和姿態(tài)的編程計算，定位精度高，結構簡單，但機體所占空間大，靈活性較差。球坐標型，它由兩個轉動和一個直線組成，即一個回轉，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結構緊湊、工作范圍大的特點，但是結構比較復雜。關節(jié)型，這種機器人的手臂與人體上肢類似，其前三個自由度都是回轉關節(jié)，這種機器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關節(jié)，可使大臂作回轉運動和使大臂作俯仰運動，小臂作俯仰擺動，其特點是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強，能抓取靠近機座的工件。平面關節(jié)型，采用兩個回轉關節(jié)和一個移動關節(jié)，兩個回轉關節(jié)控制前后、左右運動，而移動關節(jié)控制上下運動。這種機器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結構簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。綜上，本次設計中采用圓柱回轉坐標型。 (2) 自由度的確定：自由度(Degrees of Freedom),指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數目，不包括末端操作器的開合度。在運動形式上分為為直線運動P，旋轉運動R。自由度數的多少反映了這種機械手能完成動作的復雜程度，根據對機械手必須完成的動作的研究，設計四個自由度的機械手即可完成所規(guī)定的工作任務。從機座到手腕，關節(jié)的運動方式為旋轉-直線-直線-旋轉，即RPPR型。(3) 驅動方式的選擇:1）驅動系統(tǒng)有液壓驅動2）氣壓驅動3）電機驅動4）機械聯(lián)動四種，其中液壓驅動和氣壓驅動較為通用。液壓驅動：結構緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動、防爆性好。而且液壓技術比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應高、易于實現直接驅動等特點。氣壓驅動：具有速度快、系統(tǒng)結構簡單、造價較低、維修方便、清潔等特點，適用于中小負載的系統(tǒng)中，但對速度很難進行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實現伺服控制。電機驅動：步進或伺服電機可用于程序復雜、運動軌跡要求嚴格的小型通用機械手； 異步電機、直流電機適用于抓重大、速度低的專用機械手；電源方便，響應快，驅動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，控制方式靈活，安裝維修方便。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。機械聯(lián)動：動作可靠，動作范圍小，結構比較復雜，適用于自由度少、速度快的專用機械手。并且，同其他轉動方式相比較，傳動功率相同時，液壓傳動裝置的重量輕，體積緊湊，可實現無級變速，調速范圍大。運動件的慣性小，能夠頻繁順序換向，傳動工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實現緩沖吸著震，并能自動防止過載。與電氣配合，容易實現動作和操作自動化，與微電子技術和計算機配合，能夠實現各種自動控制工作。液壓元件基本已經上系列化、通用化和標準化，利于CAD技術的應用、提高工效，降低成本。容易達到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉距）。液壓系統(tǒng)介質的可壓縮性小，工作較平穩(wěn)，可靠，并可實現較高的位置精度。液壓傳動中，力，速度和方向比較容易實現自動控制。液壓裝置采用油液做介質，具有防銹性和自潤滑效能，可以提高機械效率，使用壽命長。綜上，本次設計采用液壓驅動。(4) 控制方式的選擇:1）點位控制方式（PTP）2）連續(xù)軌跡控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。點位控制的特點是只控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行機構在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點上的位姿?？刂茣r只要求工業(yè)機器人快速、準確地實現相鄰各點之間的運動，而對達到目標點的運動軌跡不做任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術指標是定位精度和運動所需時間。由于其控制方式易于實現，常應用于上下料、搬運、點焊等工業(yè)機器人。連續(xù)軌跡控制的特點是連續(xù)的控制工業(yè)機器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴格按照預定的軌跡和速度在一定的精度要求內運動，而且速度可控，軌跡光滑且運動平穩(wěn)。這種控制方式的主要技術指標是工業(yè)機器人末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機器人。力（力矩）控制方式常用于準確定位并要求使用適度的力或力矩來完成裝配、抓放物體等工作。智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據自身內部的知識庫相應做出決策。采用智能控制技術的機器人具有較強的環(huán)境適應性及自學能力，技術難度及成本要求都比較高。 綜上，本次設計采用點位控制。 另外該機械手的動作是有順序要求的，控制系統(tǒng)采用電氣控制機械手實現設計要求的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產率。 綜合上述，此次采用電-液伺服點位控制，可以很好的完成自動線工作。2.3 總體設計方案擬定因為本機械手工作范圍大，位置精度要求高?？紤]本機械手工作要求的特殊情況，本設計采用懸臂式四自由度的機械手，如下圖2.1所示： 1-機座 2-機身 3-俯仰手臂 4-手臂 5-手腕 6-手指圖2.1 機械手總體結構簡圖機座：起支撐機身的作用，同時與地面通過地腳螺栓固定承受著機械手整體的比較大的壓力。由于體積大，所以用鑄造，鑄造材料為鑄鐵。機身：保證了整個機械手能夠連接在一起從而保證機械手能夠順利的完成各項運動，由于體積大，所以用鑄造，機身的材料為鑄鐵。機身分為上、下機身體，上、下機身通過螺栓連接在一起，擺動液壓缸放在下機身里。用一根軸立柱通過鍵將擺動液壓系統(tǒng)與機身連接在一起，通過液壓缸擺動帶動機身的擺動。俯仰手臂：與下機身通過銷與相連，與手臂也通過銷相連。起連接作用，同時，俯仰手臂的伸縮會控制手臂的上下擺動。手臂：通過銷與上機身相連，液壓系統(tǒng)控制了它的伸縮功能，與手腕通過法蘭連接在一起。手腕：具有擺動功能，與手臂和手指相連。內置擺動液壓缸。手指：具有夾緊工件的作用。自由度具體分配如下：1）手臂回轉自由度。擬采用擺動油缸來實現，擺動缸的動片與缸體相連接，通過油液帶動葉片轉動，與之相連的缸體也發(fā)生轉動，從而實現機身的回轉。其行程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。2）手臂俯仰自由度。機器人的手臂俯仰運動，一般采用活塞油（氣）與連桿機構聯(lián)用來實現。設計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現，缸體采用尾部耳環(huán)與機身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關來調整。3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質量輕，因而在機器人手臂結構中應用較多。設計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關來調整。4）手腕回轉自由度。擬采用擺動液壓缸來實現。當注入壓力油時，油壓推動動片連同轉軸一起回轉。因為動片是固定在轉軸上的，故動片轉動時，轉軸也隨著其一起轉。而末端操作器與轉軸是固定在一起的，故轉軸一轉手部便一起轉，從而實現手腕的回轉運動。其行程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。2.4 本章小結本章主要介紹機械手的總體設計方案，根據設計要求，選擇機械手的結構設計方案、驅動方案、控制方案以及選擇各個方案對機械手工作的影響，畫出機械手結構的大體簡圖和重要的幾個結構部分。根據工作時空間自由度的選擇，大體結構，控制方式的選擇，完成各個部分的工作性能。描繪機械手大體結構圖為以下計算設計做準備。 第3章 機械手結構的設計3.1 機械手的主要結構機械手的機械結構主要包括末端操作器、手腕、手臂、機身（立柱）、機座。這些結構通過驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系結合在一起，實現機與電的結合。驅動器是把從動力源獲得的能量變換成機械能，使機器人各關節(jié)工作的裝置，常見的驅動形式有步進電機驅動、直流電機驅動、交流電機驅動、液壓驅動、氣壓驅動以及近些年出現的一些特殊的新型驅動（例如超聲波驅動、磁致伸縮驅動、靜電驅動等）控制系統(tǒng)：機器人的控制方式多種多樣，根據作業(yè)任務不同，主要可分為點位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。3.2末端操作器的設計3.2.1 末端操作器的概述工業(yè)機器人的末端操作器是機器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具等進行操作的部件，根據被操作工件的形狀、尺寸、重量、材質及表面形態(tài)各有不同，其形式也多種多樣，大部分末端操作器的結構是根據特定的工件專門加工的，常用的有四類：1）夾鉗式取料手2）吸附式取料手3）專用操作器及轉換器4）仿生多指靈巧手。夾鉗式取料手是工業(yè)機器人最常用的一種末端操作器形式，在流水線上應用廣泛。它一般由手指、驅動機構、傳動機構、連接與支承元件組成，工作機理類似于常用的手鉗。吸附式取料手靠吸附力取料，根據吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手應用于大平面（單面接觸無法抓取）、易碎（玻璃、磁盤）、微小（不易抓?。┑奈矬w。因為專用操作器及轉換器和仿生多指靈巧手的技術難度及成本要求都比較高，故在此不多做介紹。3.2.2 末端操作器結構的設計根據發(fā)動機曲軸結構特點，本次設計的機械手的末端操作器宜采用夾鉗式取料手。夾鉗式取料手的手指的結構形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。本設計是曲軸搬運機械手，搬運的對象是曲軸，所以要求使用V形手指，其中V形指一般用于夾持圓柱形工件，具有夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小等特點。它通過單向液壓缸進行加緊工作，主要是通過液壓缸的4活塞桿推底端使手指夾緊，然后通過2彈簧進行復位。圓柱銷3起到連接的作用，連接手指與手腕。手指上的凹凸部分起到增大摩擦的作用，使夾緊平穩(wěn)。結構如圖3.1所示： 1-手指 2-彈簧 3-圓柱銷 4-活塞桿 圖3.1 V型手指結構圖3.3 手腕的設計機器人手腕（如圖3.2）是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調節(jié)或改變工件方位，因而它具有獨立的自由度，以使機器人末端操作器適應復雜的動作要求。此處手腕需實現手部的翻轉（Roll）動作,腕部結構主要體現在手部相對于臂部的旋轉運動上。主要原理是手腕是由擺動液壓缸控制，這樣可以實現手腕的旋轉，帶動V形末端操作器。手腕通過法蘭連接在手臂上，手腕由擺動液壓缸控制進行旋轉運動，通過進油帶動液壓缸，液壓缸通過鍵連接帶動手腕軸使手腕轉動，擺動液壓缸由電磁閥控制。電磁閥由電器控制回路控制。這樣就將機械和電器結合到了一起。通過電控制機械，通過電控制機械手的手腕的旋轉。機械手腕的轉動時通過（如圖3.2）2擺動液壓缸帶動，手指的夾緊運動通過4單向活塞桿向右推動手指部分的V型槽。然后由復位彈簧進行復位設置。手腕與手臂的連接由1法蘭盤連接在一起。為了確保手腕與手臂在工作過程中具有穩(wěn)定的自由度，手臂的結構為四導桿輔助液壓缸運動。四導桿能保證機械手在伸縮的過程中保持穩(wěn)定的同軸度，不至于使手臂收縮的過程中由于重力的作用而彎曲變形。每一個導桿平均分得一部分力，這樣可以減輕一個桿工作時的壓力。 1-法蘭盤 2-擺動液壓缸 3-彈簧 4-單向液壓缸 5-手腕 6-連接螺栓孔 圖3.2 手腕結構簡圖3.4 手臂的設計手臂是機器人執(zhí)行機構中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運動到給定的位置上。手臂的結構要緊湊小巧，才能使手臂運動輕快、靈活。手臂一般有伸縮運動、左右回轉運動、升降（或俯仰）運動三個自由度。在一般情況，手臂的伸縮和回轉、俯仰均要求勻速運動，但在手臂的起動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前速度不能太大，否則引起沖擊和振動。這樣是為了減小慣性，使運動精度高些。伸縮運動一般采用直線液壓缸驅動，俯仰運動大多采用伸縮單作用（單活塞桿）驅動，而回轉運動則大多用回轉缸或齒條缸來實現。本設計采用單作用（單活塞桿）缸來實現手臂的伸縮。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運動時繞軸線轉動或產生變形，手臂的伸縮機構需設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。根據手臂的結構、抓重等因素，為了使抓取時不產生偏重力矩使抓取可靠，本設計中采用四根導向柱的臂伸縮結構。這種結構的特點是行程長，抓重大，而工件不規(guī)則時還可以防止產生過大的偏重力矩。機械手手臂伸縮由手臂里的液壓缸來實現，回轉運動時靠機身的回轉，通過圓柱銷的連接帶動手臂的回轉，俯仰運動時通過俯仰缸的伸縮來實現，手臂是機械手運動環(huán)節(jié)的重要部分，它是現實手指與機身連接的唯一樞紐。大部分要實現的運動都是通過手臂的傳遞完成的。本次設計采用內嵌式液壓缸，液壓缸的尺寸決定了手臂的大體尺寸。液壓缸的設計是通過工件運動時受到的力決定的，本次設計的手臂的內嵌式液壓缸如圖3.3所示：1-出油孔 2-開口銷孔 3-缸壁 4-圓柱銷孔5-導向桿6-油塞 7-法蘭 8-活塞桿 9-進油孔圖3.3 四導向桿式手臂機構從圖中可以比較清楚地看到手臂伸縮油缸結構及導向桿的安放方式以及手臂與其他部件的連接點。液壓油通過進油孔進入，在液體壓力的作用下活塞桿8向右運動，使手臂伸縮，導向桿5起到保證同軸度的作用，密封圈6起到保持缸內壓力的作用，保證了液壓缸的工作效率。手腕和手臂通過法蘭連接在一起，法蘭能保持他們的同軸運動，確保運動的精確性。法蘭的結構簡圖如下3.4所示： 1-螺栓孔 2-螺釘圖3.4 法蘭盤的結構法蘭盤與手腕通過螺栓連接，保證手臂、手腕同步運動。手臂俯仰運動采用單作用（單活塞桿）缸來驅動。直線油缸的缸底與機身通過鉸鏈相連，而油缸活塞桿的伸出端則與臂部鉸接，這樣當壓力油進個油缸時就驅動活塞桿往復運動，通過活塞桿的運動就使與其相連的手臂形成了俯仰的運動。當油從進油口進入時，右面的壓力比左面的大，這時活塞桿向右運動，轉化為手臂實現向下運動。由于俯仰油缸是采用底部耳環(huán)擺動式直線缸，所以在活塞桿往復運動的同時，缸體可在平面內擺動。手臂通過帶孔銷連接在機身上，以帶孔銷為支點，俯仰機構的上下運動就變成了手臂的上下運動，俯仰液壓缸向上伸出時，手臂向下擺動，俯仰液壓缸向下伸出時，手臂向上擺動，這樣就實現了手臂的上下擺動。手臂俯仰機構的結構簡圖如3.5所示：1-進、出油孔 2-活塞 3-活塞桿 4-進、出油孔5-密封塞 6-缸蓋 7-缸壁 8-排氣孔圖3.5 俯仰機構簡圖采用擺動馬達來實現機身手臂的回轉。擺動馬達布置在機身下部，手臂部件用銷軸與回轉缸體上的耳叉連接，作為手臂俯仰運動的支點?；剞D缸的轉軸和機身固定連接，擺動缸的動片與缸體相連，當擺動缸進壓力油時，通過葉片的帶動，缸體隨之轉動，從而實現機身的回轉。這時就需要回轉缸的轉軸能承受比較大的轉矩，轉軸材料為Q235。對于懸臂式的機械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計算手臂移動零件時的重量對回轉、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對手臂運動很不利。偏重力矩過大，會引起手臂的振動，在升降時還會發(fā)生一種沉頭現象，也會影響運動的靈活性，嚴重時手臂與立柱會卡死。所以在設計手臂時要盡量使手臂重心通過回轉中心，或離回轉中心要盡量地近，以減少偏重力矩。為減少轉動慣量：1）可減少手臂運動件的輪廓尺寸2）減少回轉半徑，在安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸），盡可能在較小的前伸位置進行回轉動作3）在驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。4）選擇液壓驅動時選擇能調速度的換向閥。5）對于手臂或是回轉的部分有些結構做成空心，減少回轉運動的總重量。3.5 機身和機座的設計機身，又稱為立柱，是支撐手臂的部件，并能輔助實現手臂的升降、回轉或俯仰運動。它里面有擺動液壓缸，通過擺動液壓缸的轉動帶動鍵，通過鍵帶動軸，進行轉動。軸承支撐軸的旋轉，它是機器人的基礎部分，起支承作用。對固定機器人，直接連接在地面基礎上，對移動式機器人，則安裝在移動機構上。本次設計的機械手上、下機身由螺栓連接，葉片帶動回轉缸的轉軸，從而帶動機身的回轉運動。機座，起到支撐作用，它是固定機械手與地面之間的關鍵部分，用地腳螺釘連接在地面上，起到固定，支撐的作用。機構簡圖如3.6所示：1-彈性擋圈 2-地腳螺栓 3-立柱 4-機座 圖3.6 機座示意圖機器人機座可分為固定式和行走式兩種，一般工業(yè)機器人的機座為固定式。固定式機器人的機身直接連接在地面基礎上，也可以固定在機身上。此處要求機械手的工作范圍比較小，故設計為固定式機器人，機身與機座用螺柱連接，機座用螺栓固定在地面基礎上。機身設計要求：1）剛度和強度大，穩(wěn)定性好2）運動靈活，導套不宜過短，避免卡死3）驅動方式適宜，結構布置合理。因為機身非常重要，機械手的各個部分是通過機身連接在一起的，機身決定了這些部分之間的相對精度。機座設計要求：1) 抗壓強度高，不易發(fā)生形變，穩(wěn)定性好2）機座與地相連部分的端面需精加工，保障其端面粗糙度。通過對機械手的結構設計，了解到機械手的總體結構由手指、手腕、伸縮手臂、俯仰手臂、機身、機座等幾大部分組成。通過對他們的機構設計，機械手的大體形狀已經初步形成。思路比較清晰。后續(xù)的圖都根據機械手各個部分的結構進行畫。3.6 本章小結 本章具體介紹機械手各個部分的結構設計方案以及各個部分的結構示意簡圖，手指張緊、手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉等部分之間的相互聯(lián)系，他們之間組成機械手各個部件的相互作用以及工作原理。手臂伸縮和手臂俯仰機構內部的液壓部分的工作原理，機身，機座的結構設計。將這些總裝到一起就構成了一個機械手總體結構設計。第4章 機械手各部件載荷及結構尺寸計算4.1 設計要求分析本課題設計的曲軸搬運機械手采用關節(jié)型坐標系、全液壓驅動，具有手臂伸縮、俯仰、回轉和手腕回轉四個自由度，以及手指的抓取動作。執(zhí)行機構相應由手部抓取機構、手腕回轉機構、手臂伸縮機構、手臂俯仰機構、手臂回轉機構和各定位裝置等組成，每一部分均由液壓缸驅動與控制。它完成的動作循環(huán)為：手臂前伸手指夾緊抓料手臂上升手臂縮回機身回轉手腕回轉手臂下降手臂前伸手指松開手臂縮回機身回轉復位手腕回轉復位待料。4.2 手指夾緊機構的及尺寸設計 設計中采用四指V形結構，指面光滑，避免工件被夾持部位的表面受損。手指的驅動采用彈簧復位（單活塞桿）單作用液壓缸，傳動機構采用斜楔杠桿式復合回轉傳動，并在杠桿上裝有張緊彈簧，以保證手指夾緊驅動液壓缸的復位。手指厚度根據需要夾持的工件設定，V形指合攏后的的尺寸為工件被夾持部位直徑的外接正六邊形，保證了機械手工作時的可靠性。4.2.1 手指夾緊機構載荷的計算手指加在工件上的夾緊力，是設計手部結構的主要依據。夾緊力必須克服工件重力所產生的載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊載荷FN計算： FNG （4.1）式中： 安全系數，通常取1.22.0； 工作情況系數，主要考慮慣性力的影響。可估算： K2 = （4.2） 其中：重力加速度；運載工件時重力方向的最大上升加速度，可計算： （4.3） 運載工件時重力方向的最大上升速度，0.07。 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般取0.30.5。 方位系數，根據手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選 定。 0.91.1。 被抓取工件所受重力（N）。計算可得：N手指夾緊由單作用液壓缸驅動實現，則手指夾緊缸的載荷為：600N分析液壓缸 活塞桿受壓時：圖4.1 活塞桿受壓示意圖 （4.4） 活塞桿受拉時：圖4.2 活塞桿受拉示意圖 式中： 無桿活塞桿有效作用面積（）； 有桿活塞桿有效作用面積（mm2）； P1液壓缸工作腔壓力0.8MPa； P2背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據回路的具體情況而定，初算時可參照下表4.1，此處選取背壓0。 D油缸內徑（）； d活塞桿直徑（）。表4.1 執(zhí)行元件背壓力系統(tǒng)類型背壓力/MPa簡單系統(tǒng)或節(jié)流調速系統(tǒng)0.20.5回油路帶調速閥系統(tǒng)0.40.6回油路設置有背壓閥的系統(tǒng)0.51.5用補油泵的閉式回路0.81.5回油路較復雜的工程機械1.23回油路較短，且直接回油箱可忽略不計對單活塞桿缸，無桿腔進液體或氣體時，不考慮機械效率。手指夾緊采用的單作用活塞缸，由上面已知其載荷力大小。(1)液壓缸內徑及活塞桿外徑的確定根據機構的工作情況，總機械載荷 F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb （4.5） 式中: Fw按題目給定為600N； Fm活塞上所受慣性力； Fsf密封阻力； Ff-導軌摩擦阻力； Fb回油背壓形成的阻力； Fm 計算： Fm = （4.6）式中： G液壓缸所要移動的總重量，題目給定為3000N;(60kg+120kg+60kg)考慮到一些外在原因設計中總重量比工作中所需總重量多一些。所以選3000N g重力加速度，9.8m/s2 速度變化量，由題知， =0.07m/s； t啟動或制動時間，一般為0.01s0.5s，因移動不重的重物，取t=0.01s將上式各值代入上式： Fm=306.1N （4.7）Fsf-的計算： Fsf-=pf A1 （4.8） 式中：f 克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（Pa），如該液壓缸選O形密封圈，設液壓缸工作壓力p16MPa，由相關設計手冊查得pf 80時，導向套滑動面長度（0.61.0）。為了減少加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應大于內徑的2030倍。根據以上原則并聯(lián)系實際工況取夾緊液壓缸缸筒長度160。缸筒是液壓缸中最重要的零件,它承受液體作用的壓力,其臂厚需進行計算?；钊麠U受軸向壓縮負載時，為避免發(fā)生縱向彎曲，還要進行壓桿穩(wěn)定性驗算。中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數屬薄壁微，即10時，其最薄處的壁厚用材料力學薄壁圓筒公式計算壁厚，即： （4.11）式中：缸筒內最高工作壓力；缸筒材料的許用應力，由下式可計算：= （4.12）式中： 材料的抗拉強度，查機械手冊得610MPa； 安全系數，當10時一般取=5；當10時，稱為厚壁筒，高壓缸的缸筒大都屬于此類。計算可得夾緊液壓缸壁厚20。4.3 手臂伸縮機構的及尺寸的確定 Fm 計算： Fm = （4.13）式中: G液壓缸所要移動的總重量，題目給定為6000N; g重力加速度，9.8m/s2 速度變化量，由題知， =0.07m/s； t啟動或制動時間，一般為0.01s0.5s，因移動不重的重物，取t=0.1s將上式各值代入上式： Fm=420NFsf-的計算： Fsf-=pf A1 （4.14）式中: f 克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（Pa），如該液壓缸選O形密封圈，設液壓缸工作壓力p16MPa，由相關設計手冊查得pf 0.3MPa，取pf =0.2MPa； A1進油工作有效面積（m2），此時屬未定數值，初估計為120cm2 。 Fsf =0.21060.012=2400N Ff 的計算: 該手臂材料選用鑄鐵，結構受力。摩擦力為： Ff = （4.15） 式中: G移動總重量，6000N; FZ 切削力在導軌垂直方向的分力，FZ =N=20000N; f 摩擦因數，取f=0.1； V形導軌夾角，=90各值代入上式： Ff = =2600N Fb =pb A2 式中： pb回油背壓，一般為0.3MPa0.5MPa，取pb =0.3MPa； A2有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2，已初估計A1 =120cm2 故A2 =70cm2 。各值代入上式： Fb =pb A2 =0.30.004=2100N分析液壓缸各工作階段受力情況，得知在工進階段受力最大，作用在活塞上的總機械載荷為： F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb+F手腕=6000+420+2400+2600+2100+4800=18320N(3) 確定液壓缸的結構尺寸和工作壓力表4.2 載荷與工作壓力的關系載荷/KN50工作壓力/MPa0.811.522.5334455根據經驗和計算結果取P2 =2MPa液壓缸工作腔有效面積 A1 =0.00916(m2)=91.6cm2 D=11.6(cm)=116mm活塞直徑： D116mm 查表圓整為160mm d圓整為110mm手臂伸縮機構采用的雙作用活塞缸，由上面已知公式算出。同理，經過計算可得夾緊液壓缸的液壓缸內徑160，活塞桿直徑101.5。按照GB/T2348-1993標準，圓整其值為160，活塞桿直徑100。根據以上原則并聯(lián)系實際工況取手臂伸縮液壓缸缸筒長度2000，壁厚36。4.4手臂俯仰機構結構尺寸的確定手臂俯仰機構采用的雙作用活塞缸，由上面公式算出液壓缸內徑D及活塞桿d。同理，經過計算可得夾緊液壓缸的液壓缸內徑101，活塞桿直徑70.7。按照GB/T2348-1993標準，圓整其值為100，活塞桿直徑70。根據以上原則并聯(lián)系實際工況取手臂俯仰液壓缸缸筒長度630，壁厚28。4.5手腕擺動機構的確定手腕擺動選用的葉片式擺動液壓缸，由上面已知其載荷力矩的大小。擺動液壓缸的排量為： （4.16） 式中： T液壓馬達的載荷轉矩（N）； 液壓馬達的進出口壓（Pa）,已知為0.8MPa。計算可得： /r根據實際工況取設計中選取YMD30葉片擺動液壓缸。4.6 機身擺動機構的確定機身擺動選用的葉片式擺動液壓缸，由上面已知其載荷力矩的大小。擺動液壓缸的排量為 /r根據實際工況設計中選取YMD300的葉片擺動液壓缸。4.7強度校核活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向的推力和拉力，可以近似地用直桿承受拉壓負載的簡單強度計算公式進行計算： （4.17）式中： 活塞桿的作用力，單位N； 活塞桿直徑，單位m； 材料的許用應力，查機械設計手冊為600MPa。下面各液壓缸的活塞桿校核如下: MPaMPa MPa故，所以滿足強度要求。4.8 彎曲穩(wěn)定性校核活塞桿受軸向壓力作用時，有可能產生彎曲，當此軸向力達到臨界值Fk時，會出現壓桿不穩(wěn)定現象學，臨界值的大小與活塞桿長和直徑，以及缸的安裝方式等有關。只有當活塞桿的計算長度10時，才進行活塞桿的縱向穩(wěn)定性計算。所以只需校核手臂伸縮液壓缸，其計算按材料力學的有關公式進行。使缸保持穩(wěn)定性的條件為： （4.18） N MPa （4.19） m4 （4.20）式中： F缸承受的軸向壓力（N）； nk安全系數，一般取3.56； K液壓缸安裝及導向系數，見機械設計手表20-6-17。 FK活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界壓力（N），可由下式計算： L液壓缸支承長度（m）； I活塞桿橫截面慣性矩（m4），可由下式計算： E實際彈性模數，可由下式計算： E材料的彈性模數（MPa），鋼材； a材料組織缺陷系數，鋼材一般取a； b活塞桿截面不均勻系數，一般取b； d活塞桿直徑（m）。計算可得：4.9所以彎曲強度滿足要求。4.9 本章小結 本章主要介紹機械手手指夾緊內部液壓缸的計算設計，手臂伸縮缸的設計計算、手臂俯仰缸的設計計算。手指擺動機構的的設計、手臂擺動機構的設計、以及各項設計計算的校核。根據計算出來的結構繪制機械手各部分的圖，本章對機械手圖形設計很重要，很多圖形都是根據本章設計的數據制作的。第5章 液壓系統(tǒng)的設計5.1 液壓缸或液壓馬達所需流量的確定5.1.1 液壓缸工作時所需流量 （5.1）式中： 液壓缸有效作用面積（m2）； 活塞與缸體的相對速度（）。1.無桿活塞桿有效作用面積： （5.2）式中: 油缸內徑（）。2.有桿活塞桿有效作用面積： （5.3）式中: 活塞桿直徑（）。經過計算可得各活塞的有效面積如下表5.1所示：表5.1 各活塞的有效面積 有效面積液壓缸(mm2)(mm)手臂俯仰油缸78504003.5手臂伸縮油缸2009612246手指夾緊油缸78504003.5經過計算可得各液壓缸流量下表5.2所示：5.2 液壓馬達工作時的流量查表得YMD30擺角90，流量（內泄漏量）為300；YMD300擺角270，流量（內泄漏量）為470。知道流量后，根據流量選擇泵提供多大的工作壓力，選擇額定的工作壓力后，系統(tǒng)才能正常工作。實現機械手各個部分的工作，5個部分的流量都計算出來，然后通過液壓閥進行控制，滿足每個缸所需要的流量。這樣保證系統(tǒng)的正常工作。手腕能回轉90，機身通過液壓缸的控制能回轉270，這樣都能滿足機械手的設計要求。表5.2 各液壓缸流量工 況執(zhí)行元件運動速度m/s結構參數(m2)流量 (L/s)計算公式手指夾緊夾緊缸0.035=0.00790.28手指松開0.070=0.0040手臂前伸伸縮缸0.042=0.02010.85手臂縮回0.070=0.0122手臂上升俯仰缸0.035=0.00790.28手臂下降0.07=0.00405.3 液壓缸或液壓馬達主要零件的結構材料及技術要求5.3.1 缸體液壓缸缸體的常用材料有20、35、45號無縫鋼管。因20號鋼的力學性能略低，且不能調質，應用較少。當缸筒與缸底、缸頭、管接頭或耳軸等件需焊接時，則應采用焊接性能比較好的35鋼，初加工后調質。一般情況下，均采用45鋼，并調質到241285HB。缸體毛坯也可采用鍛鋼、鑄鋼或鑄鐵件。鑄鐵可采用ZG35B等材料，鑄鐵可采用HT200HT350間幾個牌號或球墨鑄鐵。特殊情況下，可采用鋁合金等材料。設計中缸體材料選用45號鋼，并應調質到241285HB。缸體內徑采用H8配合。活塞采用橡膠密封圈密封，該密封結構結構簡單，密封可