平衡臂機械手的設(shè)計之平衡臂及機械手爪設(shè)計說明書

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要、關(guān)鍵詞…………………………………………………………………………………………1</p><p>　　第1章 緒 論…...4</p><p>　　1.1國內(nèi)外機械手綜述4</p><p><b>　　1.1.1簡史4<

2、/b></p><p>　　1.1.2應(yīng)用簡況5</p><p>　　1.1.3國內(nèi)外機械人發(fā)展趨勢5</p><p>　　1.2機械手的組成和分類7</p><p>　　1.2.1機械手的組成7</p><p>　　1.2.2機械手的分類8</p><p>　　1.3本課題研究

3、的主要內(nèi)容及意義9</p><p>　　1.3.1 課題 七桿二自由度機械手設(shè)計內(nèi)容及基本要求9</p><p>　　1.3.2重點研究的問題：錯誤!未定義書簽。</p><p>　　1.3.3 本次設(shè)計的意義錯誤!未定義書簽。</p><p>　　第2章 機械手基本參數(shù)的確定錯誤!未定義書簽。</p><p

4、><b>　　2.1抓重10</b></p><p><b>　　2.2 轉(zhuǎn)角10</b></p><p>　　2.3工作速度錯誤!未定義書簽。</p><p>　　2.4定位精度11</p><p>　　第3章 機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算錯誤!未定義書簽。</p>&l

5、t;p>　　3.1 機械手機構(gòu)的分析與設(shè)計11</p><p>　　3.1.1機械手的自由度11</p><p>　　3.1.2坐標(biāo)形式13</p><p>　　3.1.3機械手的機構(gòu)簡圖以及部件尺寸13</p><p>　　3.1.4機械手總體方案的比較錯誤!未定義書簽。</p><p>　　3.2

6、機構(gòu)桿件的受力校核分析14</p><p>　　3.2.1支撐桿的受力校核14</p><p>　　3.2.2導(dǎo)軌滑桿的強度檢驗錯誤!未定義書簽。</p><p>　　3.2.3立柱支撐軸的強度校核錯誤!未定義書簽。</p><p>　　3．3機械手手指結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算錯誤!未定義書簽。</p><p>　　

7、3.3.1概述16</p><p>　　3.3.2手指的驅(qū)動力計算17</p><p>　　3.3.3手部伸縮的驅(qū)動裝置18</p><p>　　3.3.4 手指定位誤差的分析19</p><p>　　3.4機械手手腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算19</p><p>　　3.4.1手腕自由度和結(jié)構(gòu)19</p>

8、;<p>　　3.4.2手腕的結(jié)構(gòu)19</p><p>　　3.4.3 手腕驅(qū)動力矩的計算20</p><p>　　3.4.4回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩計算錯誤!未定義書簽。</p><p>　　3.5手臂結(jié)構(gòu)分析23</p><p>　　3.5.1大手臂的結(jié)構(gòu)及其工作原理23</p><p>　　3.5

9、.2大手臂做升降運動時所需的驅(qū)動力25</p><p>　　3.5.3驅(qū)動油缸的計算26</p><p>　　3.5.4缸蓋的強度計算27</p><p>　　3.5.5活塞桿的穩(wěn)定行驗算28</p><p>　　3.5.6大手臂系統(tǒng)溫升的驗算28</p><p>　　3.5.7 設(shè)計手臂時注意的問題29&

10、lt;/p><p>　　總結(jié)……………………………………………………………………………31</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………32</p><p>　　平衡臂機械手的設(shè)計之平衡臂及機械手爪</p><p>　　摘 要 ：論文模仿機械手的基本功能和設(shè)計思路，根據(jù)給定的規(guī)定動作順序，綜合運用所學(xué)的基本理

11、論、基本知識和相關(guān)的機械設(shè)計專業(yè)知識，完成了機械手的設(shè)計，并繪制必要的零部件圖和裝配圖，其中包括機器裝置的原理方案構(gòu)思和擬定；原理方案的實現(xiàn)、傳動方案的設(shè)計；主要結(jié)構(gòu)的設(shè)</p><p>　　計簡圖；設(shè)計計算與說明；控制油路系統(tǒng)的設(shè)計。</p><p>　　工業(yè)機械手設(shè)計的主要技術(shù)關(guān)鍵問題為：夾持機構(gòu)的夾緊與翻轉(zhuǎn)；行程機構(gòu)的轉(zhuǎn)向與伸縮；提升機構(gòu)的提升；控制油路系統(tǒng)的設(shè)計。</p>

12、;<p>　　關(guān)鍵詞：工業(yè)機械手；手爪；伸縮油缸；轉(zhuǎn)動油缸</p><p>　　Manipulator arm of a balanced design and mechanical gripper arm balance</p><p>　　Summary：The thesis deploys the basic function and the way of design

13、 of the automatic hand , according to the given provision of action in proper order, comprehensively using the basic theories, basic knowledge and the related professional knowledge of mechanical design, completing the d

14、esign of mechanical hand, and drying the diagrams of the necessary spare parts and the assemble diagram, including the consideration and the establishment of the principle;The realization of the principle, powertr</p&

15、gt;<p>　　The mainly key problem of design a mechanical hand is :Clipping the object and revolving;The route of travel organization;the promotion of the organization;the design of the liquid press system.</p>

16、;<p>　　Keyword:Industrial mechanical hand Hand claw Flexible oil urn recolcing oil urn</p><p>　　第1章 緒 論</p><p>　　工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已經(jīng)成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐

17、漸成為一門新興的學(xué)科——機械手工程。</p><p>　　機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們認(rèn)識：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能操作必要的機具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大得改善人工的勞動條件，顯著得提高勞動生產(chǎn)效率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，投入大量的人力物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫，高壓，粉塵，噪音以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國

18、，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視。</p><p>　　機械手一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備普通機械的物理性能外，還具備通用機械，記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機。它起源于原子，軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特頂?shù)淖鳂I(yè)，后來發(fā)展

19、到用無線電尋好操作機械手來進(jìn)行月球的探測等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專用機械手，主要負(fù)數(shù)于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為Mechanical Hand，它是為主機服務(wù)的，有主機驅(qū)動；除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。</p><p>　　1.1國內(nèi)外機械手綜述</p><p><b>　　1.1.1簡史&l

20、t;/b></p><p>　　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。她的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。</p><p>　　1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。同年，美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatrap機

21、械手，原意是靈活搬運。</p><p>　　1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)，麻省理工大學(xué)聯(lián)合研制一種叫Unnimation-Viearm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。</p><p>　　到目前為止，日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快，應(yīng)用最多的國家。</p><p>　　但是，目前的機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制

22、方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進(jìn)的方向主要是減低成本和提高精度。</p><p>　　第二代機械手設(shè)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。</p><p>　　第三代機械手（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Ma

23、nufacturing System）和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中重要的一環(huán)。</p><p><b>　　1.1.2應(yīng)用簡況</b></p><p>　　就國內(nèi)機械工業(yè)，鐵路 部門應(yīng)用機械手的簡況，介紹如下：</p><p><b>　　熱加工方面的應(yīng)用</b><

24、/p><p>　　熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了實現(xiàn)高效率和工作安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更加需要采用機械手操作</p><p><b>　　冷加工方面</b></p><p>　　冷加工方面機械手主要采用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序

25、控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)結(jié)和重要手段。</p><p><b>　　拆修裝方面</b></p><p>　　拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進(jìn)了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了

26、勞動強度，提高了拆修裝的效率。</p><p>　　采用機械手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點，國外已研究采用攝象機和里的傳感裝置和微型計算機聯(lián)系在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。</p><p>　　1.1.3國內(nèi)外機械人發(fā)展趨勢</p><p>　　在普及第一代工業(yè)機器人的基礎(chǔ)上，第二代工業(yè)機器人已經(jīng)推廣，成為主流安裝機型，第三代智能機器人也占有一定比重(占

27、日本1998年安裝臺數(shù)的10%，銷售額的36% )。 機械結(jié)構(gòu)  以關(guān)節(jié)型為主流，80年代發(fā)明的適用于裝配作業(yè)的平面關(guān)節(jié)型機器人約占總量的1/3。應(yīng)3K和汽車、建筑、橋梁等行業(yè)的需求，超大型機器人應(yīng)運而生。CAD , CAM等技術(shù)己普遍用于設(shè)計、仿真和制造中?？刂萍夹g(shù)  大多采用32位CPU，控制軸數(shù)多達(dá)27軸，NC技術(shù)、離線編程技術(shù)大量采用。協(xié)調(diào)控制技術(shù)日趨成熟，實現(xiàn)了多手與變位機、多機器人的協(xié)調(diào)控制。

28、采用基于PC的開放結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)已成為一股潮流。驅(qū)動技術(shù)  80年代發(fā)展起來的AC伺服驅(qū)動已成為主流驅(qū)動技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)機器人中。新一代的伺服電機與基于微處理器的智能伺服控制器相結(jié)合已由FANUC等公司開發(fā)并用于工業(yè)機器人中;在遠(yuǎn)程控制中已采用了分布式智能驅(qū)動新技術(shù)。應(yīng)用智能化的傳感器  裝有視覺傳感器的機器人數(shù)量呈上升趨勢，不少機器人裝有兩種以上傳感器，有些機器人留了多種機器人接口。通用機器人編程語言 

29、; 在ABB公司的20多個型號產(chǎn)品中，采用了通用模塊化語言</p><p>　　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)，目前己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

30、)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人己應(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，我國己安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球己安裝臺數(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，“一位客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度

31、低、供貨周期長、成本也不低，而目‘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(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。 我國的智能機器人和特種機器人在“86“計劃的支</p><p>　　1.2機械手的組成和分類</p><p>　　1.2.1機械手的組成</p><p>　　機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和

32、控制系統(tǒng)三大部分組成。</p><p><b>　　執(zhí) 行 機 構(gòu)</b></p><p><b>　　手部</b></p><p>　　手部安裝在手臂的前端，手臂的內(nèi)孔裝有傳動軸，可把動作傳給手腕，</p><p>　　以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕、開閉手指。</p><p>　　機械

33、手手部的構(gòu)造系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又分為二指、三指、四指等，其中以二指用的最多。</p><p><b>　　手臂</b></p><p>　　手臂有無關(guān)節(jié)臂和有關(guān)節(jié)臂之分。目前采用的手臂幾乎都是無關(guān)節(jié)臂。</p><p>　　手臂的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確得抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正

34、確的工作，手臂的三個自由讀都需要精確的定位。</p><p><b>　　軀干</b></p><p>　　軀干是安裝手臂、動力源和各種執(zhí)行機構(gòu)的支架。</p><p><b>　　驅(qū) 動 系 統(tǒng)</b></p><p>　　驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、氣體驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓、氣

35、動用的最多，占90%以上；電動、機械驅(qū)動用的較少。</p><p>　　液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱實現(xiàn)傳動。它的優(yōu)點是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。</p><p>　　氣動驅(qū)動所采用的元件為氣壓缸、氣馬達(dá)、氣閥等。它的優(yōu)點是氣源方便，維護(hù)簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。尤其空氣的可壓縮性

36、大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，氣壓系統(tǒng)容易生銹。為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，氣壓系統(tǒng)的裝有速度控制機構(gòu)或緩沖減震機構(gòu)。</p><p>　　電器驅(qū)動都采用三相感應(yīng)電機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單；維護(hù)、使用方便。一般只用于動作固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可

37、開，工作速度高，成本低；缺點是不易于調(diào)整。</p><p>　　三、 控 制 系 統(tǒng)</p><p>　　機械手控制的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動作時間、運動速度和加減速度等。</p><p>　　機械手的控制分為點位控制和連續(xù)詭計控制兩種?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進(jìn)行工作。&l

38、t;/p><p>　　程序的存儲方式分為分離存儲和集中存儲兩種。對于動作復(fù)雜的機械手（機械人），采用示教再現(xiàn)型控制系統(tǒng)。更復(fù)雜的機械手（機械人）則采用數(shù)字控制系統(tǒng)、小型計算器或微處理機控制的系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.2機械手的分類</p><p>　　一、按 用 途 分 類</p><p><b>　　1. 專用機械手<

39、/b></p><p>　　專用機械手是專為一定設(shè)備服務(wù)的，簡單、使用，目前在生產(chǎn)中運用的比較廣泛。它一般只能完成一、二種特定的作業(yè)。如用來抓取和傳送工件。它的工作程序是固定的，也可根據(jù)需要編制程序控制，以獲得多種工作程序，適應(yīng)多種作業(yè)的需要。</p><p><b>　　2. 通用機械手</b></p><p>　　通用機械手是在專用機

40、械手的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它能對不同物件完成多種動作，具有相當(dāng)?shù)耐ㄓ眯浴Ｋ且环N能獨立工作的自動話裝置。它的動作程序可以按照工作需要來改變，大概是采用順序控制系統(tǒng)。</p><p>　　通用機械手又分簡易型、示教再現(xiàn)型和只能機械手、草中式機械手等幾種。</p><p><b>　　按控制型式分類</b></p><p>　　1.點位控制型機械手&

41、lt;/p><p>　　點位控制型機械手的運動詭計是空間二個點之間的連接。控制點書越多，性能越好。它基本能滿足于各種要求，結(jié)構(gòu)簡單。絕大部分機械手是點位控制型。</p><p>　　2.連續(xù)軌跡控制型機械手</p><p>　　這種機械手的運動軌跡是空間的任意連續(xù)曲線，它能在三維空間中作極其復(fù)雜的動作。工作性能完善，但控制部分比較復(fù)雜。</p><p

42、>　　控制方式分為開關(guān)式和伺服式兩種。</p><p>　　1.3本課題研究的主要內(nèi)容及意義</p><p>　　1.3.1 課題 七桿二自由度機械手設(shè)計內(nèi)容及基本要求</p><p>　　設(shè)計一個機械手，用于工廠機床邊抓取圓棒料和餅類零件，實現(xiàn)從地面到機床卡盤和從機床卡盤到地面的運動。</p><p>　　抓取重量；≤40千克。在總

43、體的設(shè)計過程中，該抓取物重量可以減小。</p><p>　　機械臂活動范圍：活動半徑≤2 m 夾持物最大直徑≤100mm（軸類）、最大直徑<300(餅類) </p><p>　　活動高度 ≤2.0m </p><p>　　動力：盡可能采用機械傳動、電磁力或氣動。必要時可以采用液壓，但不宜使用高壓液壓設(shè)備。</p>

44、;<p>　　工作量要求：〈1〉平衡臂部件圖紙，油缸裝配圖，活塞零件圖，零部件一覽表，標(biāo)準(zhǔn)間匯總表。</p><p><b>　　〈2〉設(shè)計說明書 </b></p><p>　　〈3〉英文翻譯成漢文（5000字）</p><p>　　第二章 機械手基本參數(shù)的確定</p><p>　　一個機械手系統(tǒng)所包含的基

45、本參數(shù)有抓重（即臂力）、自由度、工作行程（包括轉(zhuǎn)角），行程速度，工作節(jié)拍和定位精度等。</p><p><b>　　2.1抓重</b></p><p>　　抓重就是指機械手所能搬運物件的重量。考慮到這個機械手的結(jié)構(gòu)強度等因素，且抓重要求是40公斤，所以安全系數(shù)K選擇在2~3范圍內(nèi)。</p><p><b>　　2.2 轉(zhuǎn)角</b

46、></p><p>　　結(jié)合工廠實地參觀的工件擺放和機床設(shè)備的擺放位置，做出如下簡圖：</p><p>　?。ㄌ摼€所示為手臂抓取工件的位置）</p><p>　　所以我們設(shè)計機械手的回轉(zhuǎn)角度為90度。</p><p><b>　　2.3工作速度</b></p><p>　　機械手的動作節(jié)拍是

47、指機械手完成一個動作循環(huán)所需要的時間。它的運動節(jié)拍只占到生產(chǎn)節(jié)拍的一部分。我們假設(shè)機械手夾持的軸形工件是需要在車床上完成車的工序，當(dāng)工件在機床加工時是不動作的，當(dāng)這一工序加工結(jié)束時機械手才再開始動作，所以這時機械手的動作節(jié)拍需要加上工件加工的那段時間。</p><p>　　機械手在上料的過程中，需要完成夾緊工件，手臂上升、手腕回轉(zhuǎn)、手臂 伸出、下降、放松工件、手臂縮回、反轉(zhuǎn)、手腕反轉(zhuǎn)等動作。</p>

48、<p>　　考慮到以下一些問題，機械手的動作節(jié)拍還需要加上以下這些時間：</p><p>　　1.由于繼電器、電磁滑閥以及執(zhí)行機構(gòu)都有一定的慣性，從動作指令發(fā)出到考試動作需要一段時間，因此單個動作時間不宜少于0.2秒（直流電磁閥打開響應(yīng)時間為0.1~0.5秒，交流電磁閥的打開響應(yīng)時間為0.01~0.07秒）</p><p>　　2.夾緊或放松動作時間一般定為0.2~0.3秒。&

49、lt;/p><p>　　3.手臂伸縮、水平回轉(zhuǎn)和升降運動的時間，是機械手動作節(jié)拍的主要部分，應(yīng)考慮抓重和形成的大小、驅(qū)動方式、緩沖方式和定位方式而加以確定。</p><p><b>　　2.4定位精度</b></p><p>　　機械手的定位精度是由加工工藝要、機械手本身的結(jié)構(gòu)特點（如制造精度、結(jié)構(gòu)剛性）、抓重、工作行程、工作速度以及驅(qū)動、控制方式

50、和緩沖定位方式諸因素所決定。其中加工工藝要求是主要的因素。切削機床上下料機械手的定位精度一般為毫米</p><p>　　第三章 機械手機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算</p><p>　　3.1 機械手機構(gòu)的分析與設(shè)計</p><p>　　3.1.1機械手的自由度</p><p>　　機械手要像人的手一樣完成各種動作是比較困難的。因為人的手指、手長、手腕、

51、手臂由十九個關(guān)節(jié)所組成，并具有27個自由度，而生產(chǎn)實踐中機械手不需要這么多自由度。下面按機械手所具有的主運動和輔助運動來分析其自由度。手臂和立柱的運動成為主運動，因為它們能改變抓取工件在空間的位置。手腕和手指的運動成為輔助運動，因為手腕的運動只能改變被抓取工件的方位，而手指的夾放運動不能改變工件的位置和方位，故它不計為自由度數(shù)，其他運動都算作自由度數(shù)。</p><p>　　這次參考了江麓機械廠的機械手，在確定了被

52、抓取工件所在的空間位置，及將工件搬運到規(guī)定的位置時所需要的運動。得知我們改造的機械手包括了大臂的回轉(zhuǎn)和升降兩個運動，而將要設(shè)計的手腕的自由度僅僅是為了配合手臂完成工件的預(yù)定裝卸方位要求加以增設(shè)的，故只算成兩個自由度。 </p><p><b>　　圖一</b></p><p>　　由圖可知，此機械手在XY平面內(nèi)有回轉(zhuǎn)運動，且在Z方向和X方向有直線運動，故做出它的運動軌

53、跡圖，如下：</p><p><b>　　圖二</b></p><p>　　自由度數(shù)多少是衡量機械手技術(shù)水平的指標(biāo)之一，自由數(shù)越多，可以完成的動作越復(fù)雜，通用性越強，應(yīng)用范圍也越廣，但是響應(yīng)的帶來了技術(shù)難度大，控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機械手本身的體積和重量增加，成本高和維修困難。自由度少，通用性越差，但是技術(shù)上容易達(dá)到，結(jié)構(gòu)簡單，使用和維修方便。所以在此次設(shè)計中，二自

54、由度已經(jīng)足夠，沒有必要盲目的加入自由度。</p><p><b>　　3.1.2坐標(biāo)形式</b></p><p>　　如一圖所示的機械手，其手臂的運動由兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)所組成，即沿X軸的伸縮，沿Z軸的升降和繞Z軸的回轉(zhuǎn)。這種坐標(biāo)型式的機械手成為圓柱坐標(biāo)式機械手。它與指教坐標(biāo)式相比較，占地面積大而活動范圍大，結(jié)構(gòu)較為簡單，并能達(dá)到較高的定位精度，因此得到廣泛的應(yīng)用

55、。</p><p>　　3.1.3機械手的機構(gòu)簡圖以及部件尺寸</p><p><b>　　圖三</b></p><p>　　由受力分析和平衡方程可得：ΣFx=0 Fbx=0</p><p>　　Σfy=0 Fna+Fby-P=0</p><p>　　ΣMx=0

56、 P·DB-Fna·AB=0</p><p>　　由幾何關(guān)系得：Fna=6P Fbx=0 Fby=-5P </p><p>　　由A得：ΣFx=0 Fae·cos a -Fak·cos ß =0</p><p>　　Σfy=0 Fna-Fae·sin a –Fak

57、83;sin ß =0</p><p>　　Fae=P·h。·cos ß \h·sin(a + ß)</p><p>　　Fak= P·h。·cos a \ h·sin(a + ß) </p><p>　　由C得：ΣFx=0 Fcx-Fea·cos a

58、=0</p><p>　　Σfy=0 Fcy+Fea·sin a – P =0</p><p>　　Fcx=P·h。·cos a·cos ß \ h·sin(a + ß)</p><p>　　Fcy=P·[1- h。·sin a ·cos ß\ h

59、83;sin(a + ß)]</p><p>　　在江麓機械廠的實地測繪，要進(jìn)行改造的機械手機構(gòu)簡圖如上圖所示 。為一個七桿二自由度機械手。其各部件的尺寸如下：</p><p>　　此機械手的尺寸恰能滿足回轉(zhuǎn)半徑1m~3m和提升工件高度≤2.5m的要求，所以在這次設(shè)計過程中不做改動。</p><p>　　由圖一計算其他尺寸：</p><

60、p>　　圖中虛線所示位置就是當(dāng)機械手將工件舉到最高時候的位置，實線所示的位置就是機械手在地面高度抓取工件的位置。設(shè)計手臂在這兩個位置時，桿件與水平所成的角度都為30。則Ae長度等于250=125mm，bf長度也為125mm，bC長度等于BC=250=125mm，cc產(chǎn)度等于bc-bC=250-125=125mm，Bb長度等于BC=250=213mm，所以確定Aa等于Ae+bf+Bb=125+125+213=463mm。即為大臂升降

61、油缸的行程取l=500mm.</p><p>　　3.1.4機械手總體方案的比較</p><p>　　除了上圖所看到的方案，還有一種設(shè)計的方案，即將伸縮油缸和回轉(zhuǎn)油缸放置在同一個立柱中，但是如果這樣放置，一個是裝配時十分不方便，二個是在機械手夾持工件進(jìn)行回轉(zhuǎn)時，回轉(zhuǎn)中心將更加遠(yuǎn)離回轉(zhuǎn)油缸的中心，那樣對支撐軸的扭矩將增大，且對立柱的彎曲應(yīng)力更大，機械手的壽命將縮短。所以，我們設(shè)計的是將伸縮油

62、缸和液壓站用支撐板固定在遠(yuǎn)離工件的立柱的另側(cè)，這樣，當(dāng)機械手回轉(zhuǎn)時，回轉(zhuǎn)中心將比較靠近回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)中心，這樣，即減少了支撐軸的彎曲應(yīng)力，又可以使的機械手在裝配和設(shè)置油管路線時更加方便。</p><p>　　橫向擴展一下，本人聯(lián)想到資料中海港的集裝箱的起吊手臂，它在空間運行的時候，保證了集裝箱的水平放置，那樣手臂的設(shè)計將更加復(fù)雜。本人設(shè)計的機械手，在空間的運動位置是不定的，如果要改進(jìn)，則需要在橫向伸縮的導(dǎo)桿中加入

63、一個伸縮油缸，用來精確控制工件被夾取后在空間中的運動位置。</p><p>　　3.2 機構(gòu)桿件的受力校核分析</p><p>　　3.2.1支撐桿的受力校核</p><p>　　當(dāng)機械手將工件抬舉到最大高度的時候，支撐桿的受彎曲力矩最大。此時的受力分析如圖：</p><p>　　機械手的構(gòu)件部分都設(shè)計成為空心圓鋼桿，其外徑為115mm，內(nèi)徑

64、為75mm,查表得到它的[]=60MPa,E=200GPa.此時受到的壓力P為工件和前端桿件的重量，約為50KN。</p><p>　?。?）此時1桿和2桿的軸力NN分別為</p><p>　　N=2P=100KN N=P=86.6KN（壓）</p><p><b>　　（2）強度校核</b></p><p>&

65、lt;b>　　A==5.86m</b></p><p>　　所以1桿2桿的應(yīng)力分別為：</p><p>　　=17.06MPa<[]</p><p>　　由此可見手臂的桿件都滿足強度要求，整個結(jié)構(gòu)強度都是滿足要求的。</p><p>　　3.2.2導(dǎo)軌滑桿的強度檢驗</p><p>　　導(dǎo)軌滑桿

66、是放置在大臂頂部的構(gòu)件，它承受了各機構(gòu)桿件和工件對其的壓力，其受力狀況如下：</p><p>　　其中AB長度等于CD長度等于40mm。BC長度等于120mm。P=7 kN，它的[]為100MPa.</p><p>　　計算支反力并做梁的彎矩圖</p><p>　　根據(jù)梁的平衡條件，求得梁的支撐反力為：</p><p><b&

67、gt;　　R==7 kN</b></p><p>　　作出梁的彎矩圖如圖所示：</p><p>　　由圖可見，梁上最大的彎矩為：</p><p>　　M=M=0.28 kNm</p><p><b>　　強度校核</b></p><p>　　梁的B截面和C截面為危險截面。因此對B截面進(jìn)

68、行校核：</p><p>　　57.07MPa<[]</p><p>　　所以，此滑桿是穩(wěn)定安全的，且有較大的強度儲備。</p><p>　　3.3機械手手指結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算</p><p><b>　　3.3.1概述</b></p><p>　　手部是機械手直接用于抓區(qū)和握緊工件進(jìn)行操作的

69、部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機械手手臂的前端。我們設(shè)計采用的是回轉(zhuǎn)型滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)，如圖所示，當(dāng)活塞桿1帶動銷軸2左移時，銷軸拉動手指3使之松開而放開工件。反之，手指閉合而夾緊工件。</p><p><b>　　圖四</b></p><p>　　采取這個方案來設(shè)計手部結(jié)構(gòu)是考慮到它結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛，開閉角較大，而且在移動型手指夾持直徑變化的

70、工件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)夾取不同直徑的軸類工件。</p><p>　　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)生的慣性力和震動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防止折端或者是彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)哦簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。采用的這個設(shè)計方案正是具備了以上的特點。</p><p>　　3.3.2手指的驅(qū)動力

71、計算</p><p>　　此滑槽桿式手部結(jié)構(gòu)的力的分析如上圖所示。在拉桿的作用下銷軸向上的拉力為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、，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向O點，和的延長線交于A及B，由于ΔOB和ΔOA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)軸的力平衡條件，得</p><p>　　P=2P =</p><p>　

72、　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)兩力大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即=0 得</p><p>　　`h=Nb 因 h=</p><p><b>　　所以P=</b></p><p>　　式中a為手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（毫米）</p><p>　　α為工件被夾

73、緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角，一般情況下取α為</p><p>　　設(shè)計時設(shè)計a和b分別為80mm和95mm。</p><p>　　而N=0.5G（為手指的張角的一半為。）</p><p>　　=（為摩擦系數(shù)，因為手爪采用材料為硬質(zhì)聚氯乙烯，查表得它對鋼的摩擦系數(shù)為0.1）</p><p>　　=，所以N=0.5×9.

74、8×tan(60-5.7)×100kg=681.65N</p><p>　　求得P=1214.19N</p><p>　　考慮到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)動力應(yīng)按下式計算。即</p><p>　　為手部的機械效率，一般取（0.85-0.95）</p><p>　　為安全系數(shù)，一般取

75、（1.2-2）</p><p>　　為工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估算。=1+其中為被抓取工件運動時的最大的速度，g為重力加速度。設(shè)抓取最大=g。</p><p>　　所以1214.19×=4046.7N</p><p>　　3.3.3手部伸縮的驅(qū)動裝置</p><p>　　采用雙向作用式液壓驅(qū)動裝置，手指支架與

76、缸體固聯(lián)為一體，當(dāng)壓力流體進(jìn)入下腔時，活塞桿向上移動使手指夾緊，當(dāng)壓力流體進(jìn)入上腔時，則活塞桿向下移動使手指松開。</p><p>　　此液壓缸工作壓力的確定</p><p>　　選用額定壓力為20MPa的液壓缸。液壓缸所能克服的最大負(fù)載F和有效作用面積可用下列關(guān)系式表示：</p><p><b>　　F=p·A</b></p&

77、gt;<p>　　式中F——液壓缸最大負(fù)載，包括工作負(fù)載、摩擦力、慣性力等（N）；</p><p>　　P——液壓缸工作壓力（MPa）；</p><p>　　A——液壓缸（活塞）有效工作面積（）。</p><p>　　由上式可見，液壓缸最大負(fù)載給定時，液壓缸工作壓力p取得最高，則活塞有效工作面積A就小，液壓缸結(jié)構(gòu)緊湊。系統(tǒng)壓力高，對液壓元件的性能及密封

78、要求也相應(yīng)提高。</p><p>　　4046.7N=20×Pa×A</p><p>　　得A=0.00025292=202</p><p>　　選用直徑為14mm的活塞桿，則液壓缸的內(nèi)徑D=</p><p>　　將各數(shù)值代入公式，算得D=19.2986mm。故選用內(nèi)徑為20mm的液壓缸。</p><p

79、>　　3.3.4 手指定位誤差的分析 </p><p>　　為了使我們設(shè)計的機械手能應(yīng)用于多品種小批量、工件直徑在一定范圍內(nèi)變化的生產(chǎn)中，所以采用了這種自動定心的手部結(jié)構(gòu)，來減少機械手的調(diào)整工作。在工件的移動過程中，工件的直徑變化不影響其軸心的位置，即定位誤差為零。但是，采用了這種手指的設(shè)計，其傳動結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積較大，并且要求加工精度高。</p><p>　　3.4機械手手腕結(jié)構(gòu)

80、的設(shè)計與計算</p><p>　　3.4.1手腕自由度和結(jié)構(gòu) </p><p><b>　　一、手腕的自由度</b></p><p>　　手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕最多具有四個獨立運動即四個自由度。</p><p>　　手腕自由度

81、的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。在這次的機械手設(shè)計中，此手腕設(shè)有一個繞Z軸轉(zhuǎn)動的回轉(zhuǎn)運動，已經(jīng)達(dá)到了上下料的動作要求。實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用的是回轉(zhuǎn)油缸，它的機構(gòu)緊湊，但是回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴(yán)格的密封。</p><p>　　3.4.2手腕的結(jié)構(gòu)</p><p>　　設(shè)計手腕時除應(yīng)該滿足啟動和傳送過程中所需的輸出力矩外，還要求手腕的結(jié)構(gòu)簡

82、單、緊湊、輕巧。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)動是管路不扭轉(zhuǎn)不外露，使外形整齊。設(shè)計出的手腕結(jié)構(gòu)如下圖：</p><p>　　定片 2.動片 3.后蓋 4.夾緊缸體 5.活塞桿 6.回轉(zhuǎn)缸體 7.前蓋 8.指座</p><p><b>　　圖五</b></p><p>　　我們設(shè)計的手腕如圖所示，采用回轉(zhuǎn)油缸的手腕結(jié)構(gòu)。定

83、片1與后蓋3、回轉(zhuǎn)缸體6和前蓋7均用螺釘和銷子進(jìn)行留戀界和定位，動片2與手部的夾緊油缸缸體4用鍵聯(lián)接。缸體4與指座8固聯(lián)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4和指座8一同轉(zhuǎn)動，即是手腕的回轉(zhuǎn)運動。此手腕具有結(jié)構(gòu)簡單和緊湊等優(yōu)點。</p><p>　　3.4.3 手腕驅(qū)動力矩的計算</p><p>　　驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動例句必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，

84、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、端面等處密封裝置的摩擦阻力矩，動片與缸體、定片、端蓋等處密封裝置阻力以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。</p><p>　　手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力距可按下式計算：</p><p>　　M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封（公斤厘米）</p><p>　　式中 M驅(qū)——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩。</

85、p><p><b>　　M慣——慣性力矩。</b></p><p>　　M偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括手腕回轉(zhuǎn)缸的動片，手部，工件）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩。</p><p>　　M摩——手腕轉(zhuǎn)動與支承軸處的摩擦阻力矩。</p><p>　　M封——手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩。<

86、/p><p>　　1. 假設(shè)手腕起動時按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角加速度ω，起動過程所用的時間為，則</p><p>　　M慣=（J+） = 100/2 （公斤厘米）</p><p>　　J——參與手腕轉(zhuǎn)動的零件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　　——工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p><

87、b>　?。ü锢迕祝?lt;/b></p><p>　　2. 手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏</p><p><b>　　M偏=</b></p><p>　　——手腕轉(zhuǎn)動時的重量。</p><p>　　——手腕轉(zhuǎn)動件的重心到軸線的偏心距。</p><p>　　

88、3． 手腕轉(zhuǎn)動的摩擦阻力距M摩</p><p><b>　　M摩= </b></p><p>　　——手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑。 =0.01</p><p><b>　　為支持反力：</b></p><p>　　M摩 =（公斤厘米）</p><p>　　回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定

89、片、端蓋等密封裝置的摩擦阻力距M封，與類型有關(guān)，具體分析。</p><p>　　3.4.4回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩計算</p><p>　　在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單片回轉(zhuǎn)油缸，它的工作原理如下圖所示：定片與缸體固聯(lián)，動片與回轉(zhuǎn)軸固連。動片及密封圈把油腔分為兩個，當(dāng)壓力油從左邊孔進(jìn)入時，推動輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的油從右孔排出。反之，輸出軸作逆時針方向回轉(zhuǎn)。單葉片回轉(zhuǎn)油缸

90、的壓力P和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為：</p><p><b>　　M=</b></p><p>　　P== （公斤厘米）</p><p>　　M——回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩（公斤厘米）；</p><p>　　P——回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力（公斤/）</p><p>　　R——工作壓力（厘米）；</p>

91、<p>　　R——輸出軸半徑（厘米）；</p><p>　　b——動片寬度（厘米）。</p><p><b>　　3.5手臂結(jié)構(gòu)分析</b></p><p>　　手臂是機械手執(zhí)行機構(gòu)中的重要部件，它的作用是將被抓取的工件傳誦到給定位置和方位上，因此，我們設(shè)計的機械手的手臂具有三個自由度，即小手臂的伸縮、大手臂的左右回轉(zhuǎn)和升降運動。手臂

92、的回轉(zhuǎn)和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的，橫向移動是由附屬在立柱上的小手臂實現(xiàn)的。手臂的各種運動通常是由驅(qū)動機構(gòu)（油缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、各傳動手臂和立柱自身的重量。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)形式。</p><p

93、>　　3.5.1大手臂的結(jié)構(gòu)及其工作原理</p><p>　　大手臂的是一個機械手中最重要的部分，它需要完成將工件提起和移動的動作，因此設(shè)計大手臂既能夠完成升降的運動，同時又要具備回轉(zhuǎn)的功能。為了完成這樣的要求，此手臂必須具備一個升降油缸和一個回轉(zhuǎn)油缸。如果將兩個油缸分開置放在不同的腔體中，比如，將升降油缸放置在回轉(zhuǎn)油缸和工件的中間，這樣的話，升降油缸和回轉(zhuǎn)油缸能分別分擔(dān)一些工件以及其他桿件對立柱的偏重力矩

94、，而且維修方面比較方便，對于以后的對機械手的改造也提供了便利，但是這樣顯得整個系統(tǒng)比較復(fù)雜和臃腫，占地空間比較大。我們設(shè)計的是將兩個油缸置放在一個腔體中（即立柱），這樣設(shè)計出來的外形整齊美觀。雖然這樣立柱將要承受更多的偏重力矩，對立柱腔體的外壁的承重有更高的要求，但綜合考慮，還是采用這種結(jié)構(gòu)。對立柱的外壁的校核將在后面部分進(jìn)行。大手臂（即立柱）的結(jié)構(gòu)如下圖：</p><p>　　升降油缸 2.手臂升降軸 3.回轉(zhuǎn)

95、油缸 4回轉(zhuǎn)缸動片 5.立柱腔殼.</p><p>　　當(dāng)壓力油進(jìn)入升降油缸1的左腔時，推動手臂的升降軸向上移動，從而實現(xiàn)機械手抓取工件向上移動的動作，當(dāng)壓力油進(jìn)入升降油缸1的右腔時，使的左腔的壓力油返回到油箱，升降手臂向下移動，從而實現(xiàn)機械手返回到抓取工件位置的動作。為了防止回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動時帶動升降軸產(chǎn)生輕微的轉(zhuǎn)動，故采用了和小手臂一樣的導(dǎo)向裝置，即在升降軸上固連一個滑輪，將其鑲嵌在立柱腔殼上制造的一個導(dǎo)軌槽內(nèi)。

96、</p><p>　　回轉(zhuǎn)油缸的圖如下所示：</p><p>　　1.立柱腔殼 2. 回轉(zhuǎn)缸定片 3. 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)腔體 4. 回轉(zhuǎn)缸動片</p><p>　　這個回轉(zhuǎn)缸的動片是和回轉(zhuǎn)缸的腔體以及立柱的腔殼聯(lián)接在一起的，而定片是和回轉(zhuǎn)缸的內(nèi)腔體連接在一起，所以，當(dāng)壓力油經(jīng)過圖中左端的油管進(jìn)入回轉(zhuǎn)缸的左腔時，動片帶動著立柱腔殼進(jìn)行逆時針的回轉(zhuǎn)，反之，立柱進(jìn)行逆時針

97、的回轉(zhuǎn)。由圖可知，這個回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)角度α=360-2=296.已經(jīng)能夠滿足機械手回轉(zhuǎn)角度的要求。</p><p>　　3.5.2大手臂做升降運動時所需的驅(qū)動力</p><p>　　手臂上升是靠油壓作用在活塞上的推力實現(xiàn)的，在它上升的過程中，要克服啟動的慣性力，以及行程過程中的摩擦阻力，包括了升降軸與各部件的摩擦，以及導(dǎo)向滑輪與導(dǎo)軌槽之間的摩擦力，還要克服密封裝置處的摩擦阻力和油缸非工作腔

98、壓力（即背壓）所造成的阻力。這些與小手臂的驅(qū)動力的考慮是一樣的，但是升降軸除此之外，還要考慮到各個部件的重量，需要克服手臂本身以及手部、手腕和被抓物件的重量</p><p>　　P驅(qū)=P慣+P摩+P封+P背±G</p><p>　　在大手臂起動時的過程中，慣性力即為它的沿活塞方向的工作負(fù)載，即：</p><p><b>　　P慣=</b&g

99、t;</p><p>　　式中g(shù)——重力加速度；</p><p>　　——加速或減速時間，一般=0.01~0.5s；</p><p>　　——時間內(nèi)的速度變化量。</p><p>　　在大臂的運動過程中，G=（100+150+50+80+180+800）g=13600N;</p><p><b>　　故P慣=

100、8464N</b></p><p>　　P摩=f(G+Frn);</p><p><b>　　G——運動部件重力</b></p><p>　　Frn——垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，在此時為零；</p><p>　　f——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，此時取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1。則求得</p><

101、;p>　　Ffs=0.2=2720N</p><p>　　Ffa=0.1=1360N</p><p>　　上式中Ffs為靜摩擦阻力，F(xiàn)fa為動摩擦阻力。</p><p>　　液壓缸密封處的摩擦力，它的精確值不易求得，常用液壓缸的機械效率進(jìn)行估算：</p><p><b>　　F+=</b></p>&

102、lt;p>　　式中：F——工作循環(huán)中最大的外負(fù)載</p><p>　　——液壓缸的機械效率，一般=0.9~0.97</p><p><b>　　求的=715N</b></p><p><b>　　查閱資料得：</b></p><p>　　在高壓系統(tǒng)中，背壓的估算值可忽略不計。</p>

103、;<p>　　P驅(qū)=13260N。</p><p>　　一般情況下，P實際≥。</p><p>　　3.5.3驅(qū)動油缸的計算</p><p><b>　　工作壓力的確定</b></p><p>　　選用額定壓力為25MPa的液壓缸。</p><p><b>　　A=<

104、/b></p><p>　　活塞桿直徑選用125mm。</p><p><b>　　則液壓缸內(nèi)徑為：</b></p><p><b>　　D=</b></p><p>　　選用內(nèi)徑為160mm的液壓缸。</p><p>　　行程選擇為500mm。</p>

105、<p>　　3.5.4缸蓋的強度計算</p><p>　　（1）缸蓋螺釘?shù)挠嬎?lt;/p><p>　　當(dāng)缸體和剛該用法蘭連接時，螺釘除了應(yīng)具有足夠的強度之外，還要保證聯(lián)結(jié)的緊密性。同時，在剛該所受的合成液壓力的作用下，聯(lián)接一定要有足夠的剩余鎖緊力，以免形成間隙而漏油。</p><p>　　在這種聯(lián)接中，每個螺釘在危險剖面（羅紋根部橫截面）上承受的拉力Q是工

106、作載荷Q與剩余鎖緊力Q之和。即：</p><p><b>　　Q=Q+ Q</b></p><p>　　式中 Q——工作載荷（公斤）；</p><p>　　Q==49.0625 公斤</p><p>　　式中 P——剛該所受的合成液壓力（公斤）；</p><p>　　Z——螺釘數(shù)目，Z=

107、</p><p>　　D——螺釘中心所在圓的直徑（毫米）；</p><p>　　P——油缸內(nèi)油液的工作壓力（公斤/厘米）</p><p>　　Q——剩余預(yù)緊力。對于要求緊密性的聯(lián)接取Q=KQ，K=1.5~1.8所以，當(dāng)取K=1.6時，Q=78.5公斤</p><p>　　算的Q=49.0625+78.5=127.56公斤</p>

108、<p>　　因此，螺釘?shù)膹姸葪l件為：</p><p>　　= 公斤/厘米 </p><p>　　式中螺釘材料為塑性的，而且當(dāng)進(jìn)行擰緊時，在危險剖面上，同時存在著拉英里和扭應(yīng)力，所以應(yīng)該將螺釘所受的拉力加大30%得Q=1.3Q 對于普通螺紋，內(nèi)徑d=d-1.224S</p><p>　　所以=4760公斤/厘米，查表得鋼號為40Cr的螺釘為65

109、00，故滿足要求。</p><p>　　3.5.5活塞桿的穩(wěn)定行驗算</p><p>　　此桿為受壓活塞桿，且>15。進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗算。</p><p>　　活塞桿由45#鋼制成，=350MPa，=28MPa，E=210GPa，長度=1200mm，直徑d=60mm，最大壓力=15.1KN，規(guī)定穩(wěn)定安全系數(shù)為=8～10。校核穩(wěn)定性：</p>&l

110、t;p>　　活塞桿簡化成兩端鉸支桿，截面為圓形，i=，柔度為</p><p><b>　　柔度。</b></p><p>　　所以不能用歐拉公式計算臨界壓力。若用直線公式，由表查的優(yōu)質(zhì)鋼的a和b分別為：a=461MPa，b=2.568MPa。</p><p><b>　　。 </b></p><p

111、>　　可見活塞桿的柔度介于和之間，是中等柔度壓桿。由直線公式求出臨界壓力為：MPa。</p><p>　　活塞桿的安全系數(shù)為：n=。</p><p>　　所以滿足穩(wěn)定性要求。</p><p>　　3.5.6大手臂系統(tǒng)溫升的驗算</p><p>　　在整個機械手的工作循環(huán)中，上升階段所占的時間最長，為了簡化計算，主要考慮上升時的發(fā)熱量。一

112、般情況下，上升時發(fā)熱量最大，因為液壓系統(tǒng)提供的能量很大一部分用來化為機械手的構(gòu)件的勢能，由于限壓試變量泵在流量不同時，下率相差極大，所以分別計算最大，最小時的發(fā)熱量，然后加以比較，取數(shù)值大者進(jìn)行分析。</p><p>　　當(dāng)V=1500cm/min時</p><p>　　Q=m/min=25.9L/min</p><p>　　此時泵的效率為0.7，泵的出口壓力為3.

113、2MPa，則有</p><p><b>　　==1.38Kw</b></p><p>　　=Fv=13600=4.005Kw</p><p><b>　　此時的功率損失為：</b></p><p><b>　　1.3533kW</b></p><p>　

114、　當(dāng)v=125cm/min時，q=9042L/min,總效率=0.7</p><p>　　則==0.718Kw</p><p>　　=Fv=13600125</p><p>　　3.5.7 設(shè)計手臂時注意的問題</p><p>　　一、手臂應(yīng)該剛度大，重量輕</p><p>　　我們設(shè)計的機械手懸伸長度比較長，若手臂的

115、剛度不夠，則會導(dǎo)致手臂彎曲變形過大，就會引起手臂的定位不竟準(zhǔn)，而且也直接影響活塞桿（大手臂）運動的靈活性。另外，手臂在起動或制動的過程中受到慣性力或者慣性力矩的作用，手臂將會發(fā)生顫動，由于手臂的顫動，也回影響手臂的定位精度，除了采用可靠的定位裝置外，應(yīng)對手臂結(jié)構(gòu)有一定的剛度要求，才能保證手臂的準(zhǔn)確工作和一定的定位精度。</p><p>　　手臂懸伸的彎曲變形主要與手臂的抓取重量、手臂結(jié)構(gòu)本身的材料、截面形狀以及幾

116、何尺寸等有關(guān)。在相同的條件下，工字形截面梁的彎曲剛度比圓截面要大10~20倍；空心管的彎曲剛度為實心軸的4~5倍。而且，工字形梁和空心梁的重量比能承受同樣彎曲剛度的實心軸要輕的多，所以，在本次設(shè)計中，我們采用的是工字形的梁臂結(jié)構(gòu)。它承受垂直方向的載荷能力大，而且手臂結(jié)構(gòu)簡單輕巧。</p><p>　　二.應(yīng)使手臂運動速度快、慣性大</p><p>　　手臂的運動速度是由形成大小、生產(chǎn)節(jié)拍的

117、時間和運動平穩(wěn)性及抓重大小來決定的。一般情況下，我們設(shè)計的好艘比的移動和回轉(zhuǎn)速度均為等速運動（即V和為常數(shù)），但是在手臂啟動和制動的過程中，它的運動為加速和減速運動。理想狀態(tài)下，機械手在運動到形成終點的時候，加速度為零，所以停止的瞬間沒有慣性沖擊，這是最理想的狀態(tài)。但是因為加速度是變化的，手臂非等速運動，設(shè)計時就復(fù)雜的多。其運動曲線如圖所示：</p><p>　　由于制造設(shè)計的復(fù)雜性，我們放棄了理想中機械手的最佳