0摘 要本文設計的關節(jié)型機械手采用圓柱坐標式，能完成上料、翻轉等功能。此機械手主要由手爪、手腕、手臂和機身等部分組成，具有手腕回轉、手臂伸縮、手臂升降和手臂回轉 4 個自由度，能夠滿足一般的工業(yè)要求。該機械手由電位器定位，實行點位控制，控制系統(tǒng)采用 PLC 可編程控制，具有良好的通用性和靈活性。該機械手為液壓驅動，4 個自由度和手爪的夾緊都由液壓缸驅動，在油路的布置和規(guī)劃中結合機械制造的基礎，不斷使油路符合制造的可行性，而且將油路布置成空間結構，使機械手的結構更加簡潔和緊湊。關鍵字：關節(jié)型機械手 圓柱坐標 液壓缸 可編程控制1AbstractIn this paper, the design of the joint-type robot using cylindrical coordinates of type, can be completed on the expected, inversion and other functions. Mainly by the manipulator hand, wrist, arm and body parts, etc., with rotating wrists, arms stretching, arm movements and arm rotation four degrees of freedom, able to meet the general requirements of the industry. The manipulator by the potentiometer position, the implementation of the control points, the control system using PLC programmable control, has a good generality and flexibility. The manipulator for the hydraulic-driven, four degrees of freedom and the clamping gripper driven by the hydraulic cylinder in the circuit layout and planning based on the combination of machinery manufacturing, and continuously so that the feasibility of manufacturing in line with the circuit, but also circuit layout into a spatial structure, so that the structure of manipulator more concise and compact. Keywords: joint-type robot cylindrical coordinates hydraulic cylinders PLC.2目 錄摘要 …………………………………………………………………………………iAbstract ……………………………………………………………………………ii1 緒論 ……………………………………………………………………… 11.1 研究目的及意義 ………………………………………………………… 11.2 本課題研究內容 ………………………………………………………… 22 機械手的總體設計 ……………………………………………………… 32.1 工業(yè)機械手的組成 ……………………………………………………… 32.1.1 執(zhí)行機構 ………………………………………………………… 32.1.2 驅動機構 ……………………………………………………………42.1.3 控制系統(tǒng) ………………………………………………………… 42.2 關節(jié)型機械手的主要技術參數(shù) ………………………………………… 42.3 圓柱坐標式機械手運動簡圖………………………………………………53 關節(jié)型機械手機械系統(tǒng)設計 ……………………………………………63.1 手部 ………………………………………………………………………63.1.1 夾緊力的計算 ……………………………………………………63.1.2 夾緊缸驅動力計算 ………………………………………………73.1.3 兩支點回轉型手指的夾持誤差分析與計算 ……………………83.1.4 夾緊缸的計算 ……………………………………………………103.2 腕部 ………………………………………………………………………113.2.1 腕部設計的基本要求 ……………………………………………113.2.2 腕部回轉力矩的計算 ……………………………………………123.2.3 手腕回轉缸的設計計算 …………………………………………143.3 臂部 ………………………………………………………………………153.3.1 手臂伸縮液壓缸 …………………………………………………153.3.2 手臂回轉液壓缸 …………………………………………………234 機械手的液壓驅動系統(tǒng) …………………………………………………274.1 程序控制機械手的液壓系統(tǒng) ……………………………………………274.2 液壓系統(tǒng) …………………………………………………………………274.2.1 各液壓缸的換壓回路 ……………………………………………274.2.2 調速方案 …………………………………………………………284.2.3 減速緩沖回路 ……………………………………………………294.3 液壓系統(tǒng)的合成 …………………………………………………………295 機械手的可編程控制 ……………………………………………………315.1 輸入輸出觸點的分配 ……………………………………………………315.1.1 行程開關的分配 …………………………………………………3135.1.2 手動按鈕的分配 …………………………………………………315.1.3 輸入輸出繼電器的分配 …………………………………………325.2 外部接線圖 ………………………………………………………………325.3 控制面板設計 ……………………………………………………………335.4 狀態(tài)控制圖 ………………………………………………………………345.5 梯形圖 ……………………………………………………………………35結論 …………………………………………………………………………………37致謝 …………………………………………………………………………………38參考文獻 ……………………………………………………………………………391 緒論機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。1.1 研究目的及意義工業(yè)機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)境進行合理設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y構，機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，應推廣工業(yè)機械手或機器人。2.能長時間工作，不怕疲勞，可以把人從繁重單調的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機械手只要注意維護、檢修，即能勝任長時間的單調重復勞動。3.動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產品的質量，同時又可避免人為的操作錯誤。44.機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性、靈活性好，能較好地適應產品品種的不斷變化，以滿足柔性生產的需要。5.機械手能明顯地提高勞動生產率和降低成本。由于機械手在工業(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)機械手的應用和發(fā)展，機械手的應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)了廣闊的應用前景。近十幾年來，機械手的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。1.2 本課題研究內容要求本設計能較鮮明地體現(xiàn)機電一體化的設計構思。所謂機電一體化，是機械工程技術吸收微電子技術、信息處理技術、傳感技術等而形成的一種新的綜合集成技術。盡管機電一體化的產品名目繁多，并由于它們的功能不同而有不同的形式和復雜程度，但做功的機械本體部分（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械本體的有機結合的設計方案。2、 根據(jù)給定的自由度和技術參數(shù)選擇合適的手部、腕部和臂部的結構。3、 各部件的設計計算。4、 機械手工作裝配圖的設計與繪制。5、 液壓系統(tǒng)圖的設計與繪制。6、 編寫設計計算說明書。52 機械手的總體設計2.1 工業(yè)機械手的組成工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關系如圖2.1所示。圖2.1 機械手的組成2.1.1 執(zhí)行機構1.手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型(為回轉型，因其結構簡單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內抓式兩種；也可用負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。傳力機構型式較多，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三個運動。如有特殊6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，并按預定要求將其搬到預定的位置。手臂有三個自由度，可采用直角坐標（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標（前后、上下直線往復運動和左右旋轉），球坐標（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉）和多關節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。直角坐標占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點是結構簡單、剛度高，在自由度較少時使用。圓柱坐標占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標式和多關節(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，多關節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關節(jié)式結構復雜，所以也不常用。2.1.2 驅動機構有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結構簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復定位精度，但臂力一般在300N以下。液動式的出力大，臂力可達 1000N 以上，且可用電液伺服機構，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內。目前常用的是氣動和液動驅動方式。電動式用于小型，機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。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特征。2.2 關節(jié)型機械手的主要技術參數(shù)1.抓重： 300N2.自由度： 4個3.坐標形式：圓柱坐標74.手臂運動參數(shù)運動名稱 符 號 行程范圍 速 度伸 縮 X 400mm 小于250mm/s升 降 Z 300mm 小于70mm/s回 轉 ψ 0°~210° 小于90 (°)/s5.手腕參數(shù)運動名稱 符 號 行程范圍 速 度回 轉 ω 0°~180° 小于90 (°)/s6.手指夾持范圍：棒料，直徑50~70mm，長度450~1200mm7.定位方式：電位器設定，點位控制8.驅動方式：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 圓柱坐標式機械手運動簡圖經過考慮，本設計的機械手設計成如下簡圖形式：圖 2.2 圓柱坐標式機械手83 關節(jié)型機械手機械系統(tǒng)設計3.1 手部手部（亦稱抓取機構）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)機械手的手部結構多種多樣，大部分的手部結構是根據(jù)特定的工件要求而定的。歸結起來，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)設計要求，這里只討論夾鉗式的手部結構。 夾鉗式手部是由手指、傳動機構和驅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性，可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下，多采用兩個手指。驅動裝置為傳動機構提供動力，驅動源有液壓的、氣動的和電動的等幾種形式。常見的傳動機構往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構實現(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。但這種手指結構比較復雜、體積大，要求加工精度高。根據(jù)設計要求，工件是圓盤，所以采用回轉型手指，其張開和閉合靠手指根部（以樞軸支點為中心）的回轉運動來完成。樞軸支點為一個的，稱為單支點回轉型；為兩個支點的，稱為雙支點回轉型。這種手指9結構簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產生夾持定位誤差。本設計要求抓取棒料，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、方向和作用力進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產生的靜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：式中 K ——安全系數(shù)，通常取 1.2~2.0;1K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 可近似按下式估算K2=1+ ga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 ;2a= 響tvmax——運載工件時重力方向的最大上升速度； t ——系統(tǒng)達到最高速maxv 響度的時間；根據(jù)設計參數(shù)選取。一般取 0.03~0.5s。 K ——方位系數(shù)，根據(jù)手3指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定。G—被抓工件所受重力（N） 。3.1.2 夾緊缸驅動力計算如圖是液壓夾緊裝置。手爪殼和缸殼連成一體，當壓力油從液壓缸右邊油管進油時，活塞桿向左移動，推動手爪閉合；當壓力油從液壓缸左邊進油時，拉動手爪張開。缸的拉力（或推力） （N）為：10pF）（拉 2dD4???推式中 D—活塞直徑（ ）;m——活塞桿直徑（ ）;d——驅動壓力（ ） 。paP圖 3.1 液壓缸驅動裝置3.1.3 兩支點回轉型手指的夾持誤差分析與計算機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度（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。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，避免差生手指夾持的定位誤差，必須選用合理的手部機構參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內。圖 3.2 兩支點回轉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)幾何關系有：11對于兩支點回轉型手爪（尤其當 a 值較大時） ，偏轉角 β 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 B′E′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 ，以∠BCD=90° 為條件確定兩支點回轉型手爪的偏轉角，即 β 為：－a）工件平均半徑取手指 為 2 倍的工件平均半徑=2 =2×30mm=60mm取 V 型夾鉗的夾角 2θ=120°，取 a=12mm則 －a） = =67.83°計算 = =60× =19.61mm ==|=|57.09-54.60|=2.49mm12因為題目要求定位精度為±3mm,所以設計滿足要求。設計結果：a=12mm=60mm2θ=120°==55.56mm3.1.4 緊缸的計算1、設 =1.5， =1.05，工件垂直方向的移動速度為 0.07 ，機械手達到最高速度的響應時間為 0.5S，α=45°，則=1+ =1+ =1.01=1.5×1.01×1.05×3=477.23N2、驅動力計算2209.57N3、取 η=0.85=2599.49N4、確定液壓缸直徑 D∵ 13選取活塞桿直徑 d=0.5D，壓力油工作壓力 p=30×∴D= 0.038m根據(jù)液壓缸內徑系列（JB1086—67）選取液壓缸內徑為：D=40mm則活塞桿直徑為：d=40×0.5=20mm3.2 腕部手腕部件設置于手部和臂部之間，它的作用主要是再臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕部件具有獨立的自由度。一般手腕設有回轉運動或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。目前，應用最廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度較?。ㄒ话阈∮?270 o），并且要求嚴格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此，在要求較大或轉角的情況下，采用齒條齒輪傳動或鏈輪以及輪系結構。3.2.1 腕部設計的基本要求1、力求結構緊湊、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，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。2、綜合考慮，合理布局腕部作為機械手的執(zhí)行機構，有承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求以及具有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局。如應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)和腐蝕性介質中工作的機械手，其腕部在設計是應充分估計14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，有關材料及電控元件的耐熱性等）。根據(jù)以上幾點，結合設計要求，設計出腕部的結構如圖 3-2。其為典型腕部結構中具有一個自由度的回轉缸驅動的腕部結構。直接用回轉液壓（氣）缸驅動實現(xiàn)腕部的回轉運動，因具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。圖 3.3 用一個回轉液壓缸實現(xiàn)腕部旋轉的結構1——回轉液壓缸 2——手爪驅動液壓缸 3——左進油管 4——手部油管5——右進油管 6——固定葉片 7——回轉軸 8——回轉葉片 9——缸體圖3.3所示的為腕部結構，采用一個回轉液壓缸，實現(xiàn)腕部的旋轉運動。從 B-B剖視圖上可以看出，回轉葉片（簡稱動片）用螺釘、銷釘和轉軸 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 進出油腔，實現(xiàn)手部的旋轉。旋轉角的極限值由動片、定片之間允許回轉的角度來決定（一般小于 270°），圖示液壓缸可以回轉±90°。15圖示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅動液壓缸的油管是從回轉缸壁通過，然后通過一個環(huán)槽結構包圍手部夾緊缸，腕部回轉時，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。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉液壓缸）由手臂內通過并經腕部回轉缸壁分別進入回轉液壓缸和手部驅動液壓缸。3.2.2 腕部回轉力矩的計算腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力。1、腕部回轉支承處的摩擦力矩 一般為了簡化計算，取 =0.1 阻力矩2、克服由于工件重心偏置所需的力矩=式中 e——工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離（m）。3、克服啟動慣性所需的力矩啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉的角速度 ω 及啟動所用時間 ，按下式計算或者根據(jù)腕部角速度 ω 及啟動過程轉過的角度φ啟按下式：式中 J工件 ——工件對手腕回轉軸線的轉動慣量（N m ）；J ——手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量（N m ）；16ω ——手腕回轉過程的角速度（1/s）；t啟 ——啟動過程中所需時間（s），一般取 0.05-0.3s；——啟動過程所轉過的角度（rad）。手腕回轉所需的驅動力矩相當于上述三項之和。如果手腕回轉部分的轉動慣量（ J+ ）不是很大時，手腕啟動過程所產生的慣性力矩也不大，為了簡化計算可以將計算力矩 、 適當放大，而省略掉 ，這時)具體計算過程如下設：（1）手爪、手爪驅動液壓缸及回轉液壓缸轉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 =0.1（3）啟動過程所轉過的角度 =15 =0.262rad,等速轉動角速度ω=90 =1.571求 = =0.204 N m= =4.362 N m17代入 21.506N m=0.1= 21.506N m3.2.3 手腕回轉缸的設計計算回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力距，為了使該機械手具有更好的通用性，以及與相應的機構尺寸相吻合，設回轉的基本尺寸如下：回轉缸內徑 D=40mm輸出軸與動片連接處的直徑 d=10mm動片寬度 b=45mm回轉液壓缸的工作壓力 p=3M∴ 因為 ，所以是符合要求的。3.3 臂部手臂部件是機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動機構（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機構來實現(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，故受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機械手的工作性能。18由本機械手的總體設計可知該臂部分三部分：回轉缸、伸縮缸和俯仰擺動液壓缸?；剞D缸實現(xiàn)的是手臂旋轉，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 伸縮液壓缸的結構設計經過整體考慮，手臂作直線運動的部分設計為雙導向桿手臂伸縮機構，其圖如下：圖 3.4 雙導向桿手臂伸縮機構1——缸蓋 2——導向桿 3——活塞 4——缸體 5——活塞桿 6——導向套從圖中可較清楚地看到手臂伸縮液壓缸的結構；導向桿 2 在導向套內移動，以防手臂伸縮時的轉動（小臂回轉，手腕回轉和手爪夾緊液壓缸用的輸油管道安裝在其內）。19由于手臂的伸縮缸安裝在兩根導向桿之間，由導向管承受彎曲作用，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計計算3.3.1.2.1作水平伸縮直線運動液壓缸的驅動力式中 ——摩擦阻力。手臂運動時，為運動件表面的摩擦阻力。若是導向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。——密封裝置處的摩擦阻力?！簤焊谆赜颓坏蛪河鸵核斐傻淖枇??！獑踊蛑苿訒r，活塞桿所受平均慣性力。1） 的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進行估算。圖 3.5 水平移動液壓缸受力圖圖 3.5 為雙導向桿導向，其導向桿截面形狀為圓柱面，導向桿對稱配置在伸縮缸的兩側，啟動時，導向裝置的摩擦阻力較大，計算如下：由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。20得 =0得 =∴式中 ——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向支承前端的距離（m）;a——導向支承的長度（m） ；——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支承的截面形狀有關。對于圓柱面：=（1.27~1.57）——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時；鋼對青銅：取 =0.1~0.5鋼對鑄鐵：取 =0.18~0.3取 =0.2，設手爪、手爪驅動液壓缸及回轉液壓缸所受重力為 G=400N，手臂伸縮液壓缸所受重力為 G=150N，則21=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，則=0.2×1.3×850( =442N2） 的計算 不斷密封圈其摩擦阻力不同，此處選用“Y”形密封圈。= pπdl式中 ——摩擦系數(shù)， =0.06~0.08P——密封處的工作壓力（ ） ；d——密封處的直徑（m）l——沿軸向的密封長度，相當于唇部的寬度（m） 。根據(jù)活塞桿的直徑選“Y”形密封圈型號為 B16407ACM，內徑為 16mm，唇部寬度為 7mm，設密封處工作壓力為 2.5 ，則= pπdl=0.07×2.5× π×0.016×0.007=61.58N3） 的計算 一般背壓阻力較小，可按 =0.05p,此處忽略不計。4） 的計算0.7式中 ——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/ ;——由靜止加速到常速的變化量（m/s） ；——啟動過程時間（s） ，一般取 0.01~0.5s。22已知 =0.07m/s，取 =0.5s∴ = =12.14N手臂作水平直線運動液壓缸的驅動力為=12.14+442+61.58+0=515.72N3.3.1.2.2 手臂作升降運動的液壓缸驅動力±G式中 ——摩擦阻力，如下圖所示。 =2 f，取 f=0.16G——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 h0.32ρ 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 伸縮液壓缸的結構尺寸3.3.1.3.1 液壓缸內徑的計算23圖 3.7 雙作用液壓缸示意圖如圖 3.7 所示，當油進入無桿腔當油進入有桿腔液壓缸的有效面積：固有（無桿腔）（有桿腔）式中 F——驅動力（N） ；——液壓缸的工作壓力（ ） ；d——活塞桿直徑（m） ；D——液壓缸內徑（m） ；——液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取 =0.95。由總體設計知，手臂在收縮是液壓油進入的有桿腔，取 =0.95，則由于前面的手部和腕部的液壓缸內徑都選的是 40mm，為了使該機械手具有24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 δ=5mm，則：因為 16 3.2 時屬于中等壁厚，所以該壁厚屬于中等壁厚，計算公式為：式中 ——液壓缸內工作壓力（ ） ；——強度系數(shù)（當為無縫鋼管時 =1） ；C——讓管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標準壁厚值；D——液壓缸內徑（m） 。該鋼臂為無縫鋼管，則=0.001mm所以選取的壁厚滿足條件。取標準液壓缸外徑為 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。①按強度條件決定活塞桿直徑 d0.002m所以 d=16mm 是滿足要求的。②活塞桿的穩(wěn)定性校核 當活塞桿 l15d 時，一般應進行穩(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 ，查表知，間距應小于25100mm，設螺釘數(shù)目為 4 個。表 3.1 間距 與壓力 p 的關系工作壓力 （ ） 螺釘間距 （mm）0.1~1.5 1501.5~2.5 1202.5~5.0 1005.0~10.0 80在這種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 為工作載荷 和預緊力 之和式中 =F——驅動力（N）Z——螺釘數(shù)目p——工作壓力（ ）——預緊力 =K K＝1.5~1.8D——危險剖面直徑（m）螺釘?shù)膹姸葪l件為式中 ——計算載荷（N） ；抗拉許用應力（單位為 ）n=1.2~2.526——螺紋內徑（mm）——螺釘材料屈服極限設螺釘?shù)牟牧蠟?45 號鋼，查得 =360 ，經過計算得 4.4mm，取螺釘型號為 M5。表 3.2 螺釘材料的屈服極限鋼號 10 Q215 Q235 35 45 40Cr210 220 240 320 360 650~9003.3.2 手臂回轉液壓缸3.3.2.1 手臂回轉液壓缸結構設計經考慮，手臂回轉液壓缸設計成如下形式：圖 3.8 手臂回轉液壓缸1——缸體 2——鍵 3——動片 4——左油孔 5——定片 6——右油孔圖3.8所示的手臂結構，采用一個回轉液壓缸實現(xiàn)旋轉運動。從 A-A剖視圖上可以看出，回轉葉片（簡稱動片）用鍵 2 和轉軸連接在一起，定片 5 和缸體 1用銷釘和螺釘連接。壓力油分別由油孔 4、6 進出油腔，實現(xiàn)手部的旋轉。旋轉角的極限值由動片、定片之間允許回轉的角度來決定（一般小于 270°）。3.3.2.2 手臂回轉時所需的驅動力矩27手臂回轉時，需要克服以下幾種阻力：1、回轉處的摩擦阻力 ，一般為了簡化計算，取 =0.12、啟動慣性所需的力矩式中 ——手臂回轉部分對軸線的轉動慣量（Nm ）——工件對回轉軸線處的轉動慣量（Nm ）——手臂回轉過程的角速度（1/s）——啟動過程所轉過的角度（rad）具體計算過程如下：設：①手爪、手爪驅動液壓缸、手腕回轉液壓缸以及手臂伸縮液壓缸等效為一個圓柱體，高 40cm，直徑為 20cm，其所受重力為 550N；②摩擦阻力矩 =0.1 ；③啟動過程所轉過的角度 =18°=0.314rad，等速轉動角速度=90 /s=1.57轉動慣量計算為：在手腕部分已算過， （Nm ）28代入：=0.13.3.2.3 手臂回轉液壓缸的設計計算回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力距，為了使該機械手具有更好的通用性，以及與相應的機構尺寸相吻合，設回轉的基本尺寸如下：回轉缸內徑 D=40mm輸出軸與動片連接處的直徑 d=10mm動片寬度 b=45mm回轉液壓缸的工作壓力 p=3M∴ 因為 ，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。294 機械手的液壓驅動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)自 60 年代初到現(xiàn)在，已自機械手中獲得廣泛應用。它的優(yōu)點是：動力大、力（或力矩）慣性比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等。液壓系統(tǒng)在機械手中所起的作用是通過電—液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置和速度的控制，進而控制機械手的手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構多數(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。4.1 程序控制機械手的液壓系統(tǒng)這類機械手屬于非伺服控制機械手，在只有簡單搬運動作業(yè)功能的機械手中，常常采用簡單的邏輯控制裝置或編程控制，對機械手實現(xiàn)有限位的控制。這類機械手的液壓系統(tǒng)設計與其它液壓機械設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：因機械手手臂的運動慣量較大，在定位點前要 畢 業(yè) 設 計（論 文）關節(jié)型機械手設計學生姓名：學 號：所在系部：專業(yè)班級：指導教師：日 期：Joint-based Robot DesignBy畢 業(yè) 設 計（論 文）英 文 文 獻 翻 譯學生姓名：學 號：所在系部：專業(yè)班級：指導教師：日 期： 摘 要本文設計的關節(jié)型機械手采用圓柱坐標式，能完成上料、翻轉等功能。此機械手主要由手爪、手腕、手臂和機身等部分組成，具有手腕回轉、手臂伸縮、手臂升降和手臂回轉 4 個自由度，能夠滿足一般的工業(yè)要求。該機械手由電位器定位，實行點位控制，控制系統(tǒng)采用 PLC 可編程控制，具有良好的通用性和靈活性。該機械手為液壓驅動，4 個自由度和手爪的夾緊都由液壓缸驅動，在油路的布置和規(guī)劃中結合機械制造的基礎，不斷使油路符合制造的可行性，而且將油路布置成空間結構，使機械手的結構更加簡潔和緊湊。關鍵字：關節(jié)型機械手 圓柱坐標 液壓缸 可編程控制AbstractIn this paper, the design of the joint-type robot using cylindrical coordinates of type, can be completed on the expected, inversion and other functions. Mainly by the manipulator hand, wrist, arm and body parts, etc., with rotating wrists, arms stretching, arm movements and arm rotation four degrees of freedom, able to meet the general requirements of the industry. The manipulator by the potentiometer position, the implementation of the control points, the control system using PLC programmable control, has a good generality and flexibility. The manipulator for the hydraulic-driven, four degrees of freedom and the clamping gripper driven by the hydraulic cylinder in the circuit layout and planning based on the combination of machinery manufacturing, and continuously so that the feasibility of manufacturing in line with the circuit, but also circuit layout into a spatial structure, so that the structure of manipulator more concise and compact. Keywords: joint-type robot cylindrical coordinates hydraulic cylinders PLC.0摘 要本文設計的關節(jié)型機械手采用圓柱坐標式，能完成上料、翻轉等功能。此機械手主要由手爪、手腕、手臂和機身等部分組成，具有手腕回轉、手臂伸縮、手臂升降和手臂回轉 4 個自由度，能夠滿足一般的工業(yè)要求。該機械手由電位器定位，實行點位控制，控制系統(tǒng)采用 PLC 可編程控制，具有良好的通用性和靈活性。該機械手為液壓驅動，4 個自由度和手爪的夾緊都由液壓缸驅動，在油路的布置和規(guī)劃中結合機械制造的基礎，不斷使油路符合制造的可行性，而且將油路布置成空間結構，使機械手的結構更加簡潔和緊湊。關鍵字：關節(jié)型機械手 圓柱坐標 液壓缸 可編程控制1AbstractIn this paper, the design of the joint-type robot using cylindrical coordinates of type, can be completed on the expected, inversion and other functions. Mainly by the manipulator hand, wrist, arm and body parts, etc., with rotating wrists, arms stretching, arm movements and arm rotation four degrees of freedom, able to meet the general requirements of the industry. The manipulator by the potentiometer position, the implementation of the control points, the control system using PLC programmable control, has a good generality and flexibility. The manipulator for the hydraulic-driven, four degrees of freedom and the clamping gripper driven by the hydraulic cylinder in the circuit layout and planning based on the combination of machinery manufacturing, and continuously so that the feasibility of manufacturing in line with the circuit, but also circuit layout into a spatial structure, so that the structure of manipulator more concise and compact. Keywords: joint-type robot cylindrical coordinates hydraulic cylinders PLC.2目 錄摘要 …………………………………………………………………………………iAbstract ……………………………………………………………………………ii1 緒論 ……………………………………………………………………… 11.1 研究目的及意義 ………………………………………………………… 11.2 本課題研究內容 ………………………………………………………… 22 機械手的總體設計 ……………………………………………………… 32.1 工業(yè)機械手的組成 ……………………………………………………… 32.1.1 執(zhí)行機構 ………………………………………………………… 32.1.2 驅動機構 ……………………………………………………………42.1.3 控制系統(tǒng) ………………………………………………………… 42.2 關節(jié)型機械手的主要技術參數(shù) ………………………………………… 42.3 圓柱坐標式機械手運動簡圖………………………………………………53 關節(jié)型機械手機械系統(tǒng)設計 ……………………………………………63.1 手部 ………………………………………………………………………63.1.1 夾緊力的計算 ……………………………………………………63.1.2 夾緊缸驅動力計算 ………………………………………………73.1.3 兩支點回轉型手指的夾持誤差分析與計算 ……………………83.1.4 夾緊缸的計算 ……………………………………………………103.2 腕部 ………………………………………………………………………113.2.1 腕部設計的基本要求 ……………………………………………113.2.2 腕部回轉力矩的計算 ……………………………………………123.2.3 手腕回轉缸的設計計算 …………………………………………143.3 臂部 ………………………………………………………………………153.3.1 手臂伸縮液壓缸 …………………………………………………153.3.2 手臂回轉液壓缸 …………………………………………………234 機械手的液壓驅動系統(tǒng) …………………………………………………274.1 程序控制機械手的液壓系統(tǒng) ……………………………………………274.2 液壓系統(tǒng) …………………………………………………………………274.2.1 各液壓缸的換壓回路 ……………………………………………274.2.2 調速方案 …………………………………………………………284.2.3 減速緩沖回路 ……………………………………………………294.3 液壓系統(tǒng)的合成 …………………………………………………………295 機械手的可編程控制 ……………………………………………………315.1 輸入輸出觸點的分配 ……………………………………………………315.1.1 行程開關的分配 …………………………………………………3135.1.2 手動按鈕的分配 …………………………………………………315.1.3 輸入輸出繼電器的分配 …………………………………………325.2 外部接線圖 ………………………………………………………………325.3 控制面板設計 ……………………………………………………………335.4 狀態(tài)控制圖 ………………………………………………………………345.5 梯形圖 ……………………………………………………………………35結論 …………………………………………………………………………………37致謝 …………………………………………………………………………………38參考文獻 ……………………………………………………………………………391 緒論機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。1.1 研究目的及意義工業(yè)機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)境進行合理設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y構，機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，應推廣工業(yè)機械手或機器人。2.能長時間工作，不怕疲勞，可以把人從繁重單調的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾小時后，總會感到疲勞或厭倦，而機械手只要注意維護、檢修，即能勝任長時間的單調重復勞動。3.動作準確，因此可以穩(wěn)定和提高產品的質量，同時又可避免人為的操作錯誤。44.機械手特別是通用工業(yè)機械手的通用性、靈活性好，能較好地適應產品品種的不斷變化，以滿足柔性生產的需要。5.機械手能明顯地提高勞動生產率和降低成本。由于機械手在工業(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)機械手的應用和發(fā)展，機械手的應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)了廣闊的應用前景。近十幾年來，機械手的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領域，應用的范疇十分廣闊。1.2 本課題研究內容要求本設計能較鮮明地體現(xiàn)機電一體化的設計構思。所謂機電一體化，是機械工程技術吸收微電子技術、信息處理技術、傳感技術等而形成的一種新的綜合集成技術。盡管機電一體化的產品名目繁多，并由于它們的功能不同而有不同的形式和復雜程度，但做功的機械本體部分（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械本體的有機結合的設計方案。2、 根據(jù)給定的自由度和技術參數(shù)選擇合適的手部、腕部和臂部的結構。3、 各部件的設計計算。4、 機械手工作裝配圖的設計與繪制。5、 液壓系統(tǒng)圖的設計與繪制。6、 編寫設計計算說明書。52 機械手的總體設計2.1 工業(yè)機械手的組成工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關系如圖2.1所示。圖2.1 機械手的組成2.1.1 執(zhí)行機構1.手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平移型(為回轉型，因其結構簡單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內抓式兩種；也可用負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。傳力機構型式較多，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三個運動。如有特殊6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，并按預定要求將其搬到預定的位置。手臂有三個自由度，可采用直角坐標（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標（前后、上下直線往復運動和左右旋轉），球坐標（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉）和多關節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。直角坐標占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點是結構簡單、剛度高，在自由度較少時使用。圓柱坐標占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標式和多關節(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，多關節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關節(jié)式結構復雜，所以也不常用。2.1.2 驅動機構有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結構簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復定位精度，但臂力一般在300N以下。液動式的出力大，臂力可達 1000N 以上，且可用電液伺服機構，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內。目前常用的是氣動和液動驅動方式。電動式用于小型，機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。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特征。2.2 關節(jié)型機械手的主要技術參數(shù)1.抓重： 300N2.自由度： 4個3.坐標形式：圓柱坐標74.手臂運動參數(shù)運動名稱 符 號 行程范圍 速 度伸 縮 X 400mm 小于250mm/s升 降 Z 300mm 小于70mm/s回 轉 ψ 0°~210° 小于90 (°)/s5.手腕參數(shù)運動名稱 符 號 行程范圍 速 度回 轉 ω 0°~180° 小于90 (°)/s6.手指夾持范圍：棒料，直徑50~70mm，長度450~1200mm7.定位方式：電位器設定，點位控制8.驅動方式：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 圓柱坐標式機械手運動簡圖經過考慮，本設計的機械手設計成如下簡圖形式：圖 2.2 圓柱坐標式機械手83 關節(jié)型機械手機械系統(tǒng)設計3.1 手部手部（亦稱抓取機構）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)機械手的手部結構多種多樣，大部分的手部結構是根據(jù)特定的工件要求而定的。歸結起來，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)設計要求，這里只討論夾鉗式的手部結構。 夾鉗式手部是由手指、傳動機構和驅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性，可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下，多采用兩個手指。驅動裝置為傳動機構提供動力，驅動源有液壓的、氣動的和電動的等幾種形式。常見的傳動機構往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構實現(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。但這種手指結構比較復雜、體積大，要求加工精度高。根據(jù)設計要求，工件是圓盤，所以采用回轉型手指，其張開和閉合靠手指根部（以樞軸支點為中心）的回轉運動來完成。樞軸支點為一個的，稱為單支點回轉型；為兩個支點的，稱為雙支點回轉型。這種手指9結構簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產生夾持定位誤差。本設計要求抓取棒料，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、方向和作用力進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產生的靜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：式中 K ——安全系數(shù)，通常取 1.2~2.0;1K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。 可近似按下式估算K2=1+ ga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 ;2a= 響tvmax——運載工件時重力方向的最大上升速度； t ——系統(tǒng)達到最高速maxv 響度的時間；根據(jù)設計參數(shù)選取。一般取 0.03~0.5s。 K ——方位系數(shù)，根據(jù)手3指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定。G—被抓工件所受重力（N） 。3.1.2 夾緊缸驅動力計算如圖是液壓夾緊裝置。手爪殼和缸殼連成一體，當壓力油從液壓缸右邊油管進油時，活塞桿向左移動，推動手爪閉合；當壓力油從液壓缸左邊進油時，拉動手爪張開。缸的拉力（或推力） （N）為：10pF）（拉 2dD4???推式中 D—活塞直徑（ ）;m——活塞桿直徑（ ）;d——驅動壓力（ ） 。paP圖 3.1 液壓缸驅動裝置3.1.3 兩支點回轉型手指的夾持誤差分析與計算機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度（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。特別是在多品種的中、小批量生產中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，避免差生手指夾持的定位誤差，必須選用合理的手部機構參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內。圖 3.2 兩支點回轉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)幾何關系有：11對于兩支點回轉型手爪（尤其當 a 值較大時） ，偏轉角 β 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 B′E′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 ，以∠BCD=90° 為條件確定兩支點回轉型手爪的偏轉角，即 β 為：－a）工件平均半徑取手指 為 2 倍的工件平均半徑=2 =2×30mm=60mm取 V 型夾鉗的夾角 2θ=120°，取 a=12mm則 －a） = =67.83°計算 = =60× =19.61mm ==|=|57.09-54.60|=2.49mm12因為題目要求定位精度為±3mm,所以設計滿足要求。設計結果：a=12mm=60mm2θ=120°==55.56mm3.1.4 緊缸的計算1、設 =1.5， =1.05，工件垂直方向的移動速度為 0.07 ，機械手達到最高速度的響應時間為 0.5S，α=45°，則=1+ =1+ =1.01=1.5×1.01×1.05×3=477.23N2、驅動力計算2209.57N3、取 η=0.85=2599.49N4、確定液壓缸直徑 D∵ 13選取活塞桿直徑 d=0.5D，壓力油工作壓力 p=30×∴D= 0.038m根據(jù)液壓缸內徑系列（JB1086—67）選取液壓缸內徑為：D=40mm則活塞桿直徑為：d=40×0.5=20mm3.2 腕部手腕部件設置于手部和臂部之間，它的作用主要是再臂部運動的基礎上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕部件具有獨立的自由度。一般手腕設有回轉運動或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。目前，應用最廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度較?。ㄒ话阈∮?270 o），并且要求嚴格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此，在要求較大或轉角的情況下，采用齒條齒輪傳動或鏈輪以及輪系結構。3.2.1 腕部設計的基本要求1、力求結構緊湊、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，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。2、綜合考慮，合理布局腕部作為機械手的執(zhí)行機構，有承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求以及具有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局。如應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)和腐蝕性介質中工作的機械手，其腕部在設計是應充分估計14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，有關材料及電控元件的耐熱性等）。根據(jù)以上幾點，結合設計要求，設計出腕部的結構如圖 3-2。其為典型腕部結構中具有一個自由度的回轉缸驅動的腕部結構。直接用回轉液壓（氣）缸驅動實現(xiàn)腕部的回轉運動，因具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。圖 3.3 用一個回轉液壓缸實現(xiàn)腕部旋轉的結構1——回轉液壓缸 2——手爪驅動液壓缸 3——左進油管 4——手部油管5——右進油管 6——固定葉片 7——回轉軸 8——回轉葉片 9——缸體圖3.3所示的為腕部結構，采用一個回轉液壓缸，實現(xiàn)腕部的旋轉運動。從 B-B剖視圖上可以看出，回轉葉片（簡稱動片）用螺釘、銷釘和轉軸 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 進出油腔，實現(xiàn)手部的旋轉。旋轉角的極限值由動片、定片之間允許回轉的角度來決定（一般小于 270°），圖示液壓缸可以回轉±90°。15圖示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅動液壓缸的油管是從回轉缸壁通過，然后通過一個環(huán)槽結構包圍手部夾緊缸，腕部回轉時，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。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉液壓缸）由手臂內通過并經腕部回轉缸壁分別進入回轉液壓缸和手部驅動液壓缸。3.2.2 腕部回轉力矩的計算腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力。1、腕部回轉支承處的摩擦力矩 一般為了簡化計算，取 =0.1 阻力矩2、克服由于工件重心偏置所需的力矩=式中 e——工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離（m）。3、克服啟動慣性所需的力矩啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉的角速度 ω 及啟動所用時間 ，按下式計算或者根據(jù)腕部角速度 ω 及啟動過程轉過的角度φ啟按下式：式中 J工件 ——工件對手腕回轉軸線的轉動慣量（N m ）；J ——手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量（N m ）；16ω ——手腕回轉過程的角速度（1/s）；t啟 ——啟動過程中所需時間（s），一般取 0.05-0.3s；——啟動過程所轉過的角度（rad）。手腕回轉所需的驅動力矩相當于上述三項之和。如果手腕回轉部分的轉動慣量（ J+ ）不是很大時，手腕啟動過程所產生的慣性力矩也不大，為了簡化計算可以將計算力矩 、 適當放大，而省略掉 ，這時)具體計算過程如下設：（1）手爪、手爪驅動液壓缸及回轉液壓缸轉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 =0.1（3）啟動過程所轉過的角度 =15 =0.262rad,等速轉動角速度ω=90 =1.571求 = =0.204 N m= =4.362 N m17代入 21.506N m=0.1= 21.506N m3.2.3 手腕回轉缸的設計計算回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力距，為了使該機械手具有更好的通用性，以及與相應的機構尺寸相吻合，設回轉的基本尺寸如下：回轉缸內徑 D=40mm輸出軸與動片連接處的直徑 d=10mm動片寬度 b=45mm回轉液壓缸的工作壓力 p=3M∴ 因為 ，所以是符合要求的。3.3 臂部手臂部件是機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動機構（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機構來實現(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，故受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機械手的工作性能。18由本機械手的總體設計可知該臂部分三部分：回轉缸、伸縮缸和俯仰擺動液壓缸。回轉缸實現(xiàn)的是手臂旋轉，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 伸縮液壓缸的結構設計經過整體考慮，手臂作直線運動的部分設計為雙導向桿手臂伸縮機構，其圖如下：圖 3.4 雙導向桿手臂伸縮機構1——缸蓋 2——導向桿 3——活塞 4——缸體 5——活塞桿 6——導向套從圖中可較清楚地看到手臂伸縮液壓缸的結構；導向桿 2 在導向套內移動，以防手臂伸縮時的轉動（小臂回轉，手腕回轉和手爪夾緊液壓缸用的輸油管道安裝在其內）。19由于手臂的伸縮缸安裝在兩根導向桿之間，由導向管承受彎曲作用，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計計算3.3.1.2.1作水平伸縮直線運動液壓缸的驅動力式中 ——摩擦阻力。手臂運動時，為運動件表面的摩擦阻力。若是導向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力?！芊庋b置處的摩擦阻力?！簤焊谆赜颓坏蛪河鸵核斐傻淖枇Α！獑踊蛑苿訒r，活塞桿所受平均慣性力。1） 的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進行估算。圖 3.5 水平移動液壓缸受力圖圖 3.5 為雙導向桿導向，其導向桿截面形狀為圓柱面，導向桿對稱配置在伸縮缸的兩側，啟動時，導向裝置的摩擦阻力較大，計算如下：由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。20得 =0得 =∴式中 ——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向支承前端的距離（m）;a——導向支承的長度（m） ；——當量摩擦系數(shù)，其值與導向支承的截面形狀有關。對于圓柱面：=（1.27~1.57）——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時；鋼對青銅：取 =0.1~0.5鋼對鑄鐵：取 =0.18~0.3取 =0.2，設手爪、手爪驅動液壓缸及回轉液壓缸所受重力為 G=400N，手臂伸縮液壓缸所受重力為 G=150N，則21=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，則=0.2×1.3×850( =442N2） 的計算 不斷密封圈其摩擦阻力不同，此處選用“Y”形密封圈。= pπdl式中 ——摩擦系數(shù)， =0.06~0.08P——密封處的工作壓力（ ） ；d——密封處的直徑（m）l——沿軸向的密封長度，相當于唇部的寬度（m） 。根據(jù)活塞桿的直徑選“Y”形密封圈型號為 B16407ACM，內徑為 16mm，唇部寬度為 7mm，設密封處工作壓力為 2.5 ，則= pπdl=0.07×2.5× π×0.016×0.007=61.58N3） 的計算 一般背壓阻力較小，可按 =0.05p,此處忽略不計。4） 的計算0.7式中 ——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/ ;——由靜止加速到常速的變化量（m/s） ；——啟動過程時間（s） ，一般取 0.01~0.5s。22已知 =0.07m/s，取 =0.5s∴ = =12.14N手臂作水平直線運動液壓缸的驅動力為=12.14+442+61.58+0=515.72N3.3.1.2.2 手臂作升降運動的液壓缸驅動力±G式中 ——摩擦阻力，如下圖所示。 =2 f，取 f=0.16G——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 h0.32ρ 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 伸縮液壓缸的結構尺寸3.3.1.3.1 液壓缸內徑的計算23圖 3.7 雙作用液壓缸示意圖如圖 3.7 所示，當油進入無桿腔當油進入有桿腔液壓缸的有效面積：固有（無桿腔）（有桿腔）式中 F——驅動力（N） ；——液壓缸的工作壓力（ ） ；d——活塞桿直徑（m） ；D——液壓缸內徑（m） ；——液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取 =0.95。由總體設計知，手臂在收縮是液壓油進入的有桿腔，取 =0.95，則由于前面的手部和腕部的液壓缸內徑都選的是 40mm，為了使該機械手具有24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 δ=5mm，則：因為 16 3.2 時屬于中等壁厚，所以該壁厚屬于中等壁厚，計算公式為：式中 ——液壓缸內工作壓力（ ） ；——強度系數(shù)（當為無縫鋼管時 =1） ；C——讓管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標準壁厚值；D——液壓缸內徑（m） 。該鋼臂為無縫鋼管，則=0.001mm所以選取的壁厚滿足條件。取標準液壓缸外徑為 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。①按強度條件決定活塞桿直徑 d0.002m所以 d=16mm 是滿足要求的。②活塞桿的穩(wěn)定性校核 當活塞桿 l15d 時，一般應進行穩(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 ，查表知，間距應小于25100mm，設螺釘數(shù)目為 4 個。表 3.1 間距 與壓力 p 的關系工作壓力 （ ） 螺釘間距 （mm）0.1~1.5 1501.5~2.5 1202.5~5.0 1005.0~10.0 80在這種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 為工作載荷 和預緊力 之和式中 =F——驅動力（N）Z——螺釘數(shù)目p——工作壓力（ ）——預緊力 =K K＝1.5~1.8D——危險剖面直徑（m）螺釘?shù)膹姸葪l件為式中 ——計算載荷（N） ；抗拉許用應力（單位為 ）n=1.2~2.526——螺紋內徑（mm）——螺釘材料屈服極限設螺釘?shù)牟牧蠟?45 號鋼，查得 =360 ，經過計算得 4.4mm，取螺釘型號為 M5。表 3.2 螺釘材料的屈服極限鋼號 10 Q215 Q235 35 45 40Cr210 220 240 320 360 650~9003.3.2 手臂回轉液壓缸3.3.2.1 手臂回轉液壓缸結構設計經考慮，手臂回轉液壓缸設計成如下形式：圖 3.8 手臂回轉液壓缸1——缸體 2——鍵 3——動片 4——左油孔 5——定片 6——右油孔圖3.8所示的手臂結構，采用一個回轉液壓缸實現(xiàn)旋轉運動。從 A-A剖視圖上可以看出，回轉葉片（簡稱動片）用鍵 2 和轉軸連接在一起，定片 5 和缸體 1用銷釘和螺釘連接。壓力油分別由油孔 4、6 進出油腔，實現(xiàn)手部的旋轉。旋轉角的極限值由動片、定片之間允許回轉的角度來決定（一般小于 270°）。3.3.2.2 手臂回轉時所需的驅動力矩27手臂回轉時，需要克服以下幾種阻力：1、回轉處的摩擦阻力 ，一般為了簡化計算，取 =0.12、啟動慣性所需的力矩式中 ——手臂回轉部分對軸線的轉動慣量（Nm ）——工件對回轉軸線處的轉動慣量（Nm ）——手臂回轉過程的角速度（1/s）——啟動過程所轉過的角度（rad）具體計算過程如下：設：①手爪、手爪驅動液壓缸、手腕回轉液壓缸以及手臂伸縮液壓缸等效為一個圓柱體，高 40cm，直徑為 20cm，其所受重力為 550N；②摩擦阻力矩 =0.1 ；③啟動過程所轉過的角度 =18°=0.314rad，等速轉動角速度=90 /s=1.57轉動慣量計算為：在手腕部分已算過， （Nm ）28代入：=0.13.3.2.3 手臂回轉液壓缸的設計計算回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力距，為了使該機械手具有更好的通用性，以及與相應的機構尺寸相吻合，設回轉的基本尺寸如下：回轉缸內徑 D=40mm輸出軸與動片連接處的直徑 d=10mm動片寬度 b=45mm回轉液壓缸的工作壓力 p=3M∴ 因為 ，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。294 機械手的液壓驅動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)自 60 年代初到現(xiàn)在，已自機械手中獲得廣泛應用。它的優(yōu)點是：動力大、力（或力矩）慣性比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動等。液壓系統(tǒng)在機械手中所起的作用是通過電—液轉換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構進行方向、位置和速度的控制，進而控制機械手的手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構多數(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。4.1 程序控制機械手的液壓系統(tǒng)這類機械手屬于非伺服控制機械手，在只有簡單搬運動作業(yè)功能的機械手中，常常采用簡單的邏輯控制裝置或編程控制，對機械手實現(xiàn)有限位的控制。這類機械手的液壓系統(tǒng)設計與其它液壓機械設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：因機械手手臂的運動慣量較大，在定位點前要