通用液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)-液壓

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1、 （2011屆） 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 題 目 名 稱： 通用液壓機(jī)械手 學(xué) 院（部）： 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 郝曉蓮 班 級(jí)： 機(jī)設(shè)074班學(xué)號(hào) 074051

2、00334 指導(dǎo)教師姓名： 唐川林 職稱 教授 職稱 最終評(píng)定成績(jī)： 湖南工業(yè)大學(xué)教務(wù)處 2011屆 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）資料 第一部分 畢業(yè)論文 Abstract Manipulator is a sort of automation device which has the function of gra

3、sp and transfer workpieces during the automated production.Today hydraulic mqanipulator is widely uade in industry fidld.It can maek the produce process automated and liberate the people from heavy physical labor.It can promote the quality of production and decrease the cost of production.In this de

4、sign,we should use the knowledge of hydraulic,mechanism and electric control comprehensively to complete the design of hydraulic manipulator,including machine system,hydraulic and comtrol system.The mechanical part is designed on the basis of mechanics computation foundation after the structure anal

5、ysis,including hand,arm and fuselage.Generally the manipulator’s hand should have four merits:compact structure,light weight,good universal property and high catch precision.Well,the arm should have merits that are good rigidity,light weight,high movement velocity,small inertia and flexible motion.T

6、he hydraulic system design including the hydraulic system computation and the selection of hydraulic components;The control system design including plotting the ladder diagram and selecting the control component. Key words Hydraulic manipulator;hydraulic system ;design;plc  目 錄 前言 ……………

7、…………………………………………………6 （一）工業(yè)機(jī)器人簡(jiǎn)介………………………………………………6 （二）世界機(jī)器人的發(fā)展……………………………………………6 （三）我國(guó)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展………………………………………7 （四）本設(shè)計(jì)中的機(jī)械手……………………………………………7 1 臂力的確定……………………………………………………7 2 工作范圍的確定………………………………………………7 3 運(yùn)動(dòng)速度的確定………………………………………………8 4 手臂的配置形式………………………………………………8 5 位置檢測(cè)裝置的選擇…………………………………………8 5 驅(qū)動(dòng)

8、與控制方式的選擇………………………………………9 一手部結(jié)構(gòu)……………………………………………………………10 （一）概述……………………………………………………………10 （二）設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題……………………………………10 （三）驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算…………………………………………………10 （四）夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………13 1 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算………………………………………13 2 缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算………………………………………………13 3 缸筒兩端部的計(jì)算……………………………………………14 二腕部的結(jié)構(gòu)……………………………

9、……………………………17 （一）概述……………………………………………………………17 （二）腕部的結(jié)構(gòu)形式………………………………………………18 （三）手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算…………………………………………16 1 摩擦阻力矩……………………………………………………19 2 工件重心引起的偏置力矩……………………………………19 3 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩……………………………………20 4 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算…………………………21 三 臂部的結(jié)構(gòu)………………………………………………………22 （一）概述……………………………………………………………22

10、 （二）手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)……………………………………………25 （三）手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)…………………………………………………25 （四）臂部驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算…………………………………………25 1 手臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算…………………………26 2 手臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算…………………………28 3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算………………………………30 四 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)…………………………………………………32 （一）液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介…………………………………………………32 （二）液壓系統(tǒng)的組成………………………………………………32 （三）液壓系統(tǒng)控制回

11、路……………………………………………33 （四）機(jī)械手液壓傳動(dòng)系統(tǒng)…………………………………………33 （五）機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)單計(jì)算…………………………………33 結(jié)束語(yǔ)……………………………………………………………………44 參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………45 致謝………………………………………………………………………46  （一） 我要設(shè)計(jì)的機(jī)械手 1. 臂力的確定 目前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機(jī)械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.5~3

12、，本機(jī)械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為1mm。 2. 工作范圍的確定 機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動(dòng)的軌跡來(lái)確定。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡是幾個(gè)動(dòng)作的合成，在確定的工作范圍時(shí)，可將軌跡分解成單個(gè)的動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定機(jī)械手的最大行程。本機(jī)械手的動(dòng)作范圍確定如下： 手腕回轉(zhuǎn)角度110 手臂伸長(zhǎng)量500mm 手臂回轉(zhuǎn)角度110 手臂升降行程100mm 3. 確定運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)械手各動(dòng)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(gè)動(dòng)作的時(shí)間，進(jìn)而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。液壓上料機(jī)械手要完成整個(gè)上料過(guò)程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)，平

13、移等一系列的動(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，具體時(shí)間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對(duì)分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。 機(jī)械手的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，要按時(shí)間長(zhǎng)的計(jì)算，分配各動(dòng)作時(shí)間應(yīng)考慮以下要求： ① 給定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時(shí)間； ② 伸縮運(yùn)動(dòng)的速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性一般大于伸縮運(yùn)動(dòng)的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較低的運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度與臂力、行程、驅(qū)動(dòng)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

14、在工作拍節(jié)短、動(dòng)作多的情況下，常使幾個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。為此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動(dòng)作的同步。 液壓上料機(jī)械手的各運(yùn)動(dòng)速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 = 45/s 手臂伸縮速度 V臂伸 = 750 mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 = 110/s 手臂升降速度 V臂升 = 250 mm/s 手指夾緊油缸的運(yùn)動(dòng)速度 V夾 = 50 mm/s 4. 手臂的配置形式 機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體

15、布局。運(yùn)動(dòng)要求、操作環(huán)境、工作對(duì)象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動(dòng)范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作范圍較大。 5. 位置檢測(cè)裝置的選擇 機(jī)械手常用的位置檢測(cè)方式有三種：行程開(kāi)關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機(jī)械手采用行程開(kāi)關(guān)式。利用行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)位置，精度低，故一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機(jī)械手中，用行程開(kāi)關(guān)與機(jī)械

16、擋塊檢測(cè)定位既精度高又簡(jiǎn)單實(shí)用可靠，故應(yīng)用也是最多的。 6. 驅(qū)動(dòng)與控制方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)與控制方式是根據(jù)它們的特點(diǎn)結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來(lái)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(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專門的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 驅(qū)動(dòng)方式一般有四種：氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。 參考《工業(yè)機(jī)器人》表9-6和表9-7，按照設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，控制方式為繼電-接觸器控制。  一、 手部結(jié)構(gòu) (一) 概述 手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持

17、專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)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(méi)有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)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(jì)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(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)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。 (二) 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 1. 應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量

18、外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 2. 手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角 兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。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(duì)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(dòng)定心。 4. 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的

19、影響，要求具有足夠的強(qiáng)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(jiǎn)單緊湊，自重輕。 5. 應(yīng)考慮被抓取對(duì)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(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。3 (三) 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)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F，并通過(guò)銷軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為、 ，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點(diǎn)，和的延長(zhǎng)線交O1O2于

20、A及B，∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 ∑Fx=0 得 ; ∑Fy=0 得 銷軸對(duì)手指的作用力為。手指握緊工件時(shí)所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過(guò)手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以表示。由手指的力矩平衡條件，即得 h=a/cosα F= 式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（mm）。 α——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回

21、轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F一定時(shí)，α角增大則握力也隨之增加，但α角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過(guò)大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)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 。 這種手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈活，手指開(kāi)閉角大等特點(diǎn)。綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。為了考慮工件在傳送過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力F實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即： 本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動(dòng)速度為250mm/s，系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選取，一般取0.03～0.5s，移動(dòng)加速度

22、為，工件重量G為294N，V型鉗口的夾角為120，α=30時(shí)，拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力F和計(jì)算如下： (1) 手指對(duì)工件的夾緊力計(jì)算公式： 式中 ——安全系數(shù)，通常取1.2～2.0; ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦浪? =1.05，其中 ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定按《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》表2-2選取。 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式 (2) 得 b=80 (3) 取手指?jìng)髁π?η=0.85, 則

23、 (四) 夾緊缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 1. 夾緊缸主要尺寸的計(jì)算 由前知，

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45、 液壓缸，設(shè)夾緊工件時(shí)的行程為25mm，時(shí)間為0.5s，則所需夾緊力為： 工作壓力取1MP，考慮到為使液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸簡(jiǎn)單緊湊，取工作壓力為2.5MP。 選取d=0.5D 得： 式中：D——液壓缸內(nèi)徑 P——液壓缸工作壓力 ——液壓缸工作效率， 根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB826-66）選取液壓缸內(nèi)徑，D=50mm 同理查得活塞桿直徑 d=22mm 2. 缸體結(jié)構(gòu)及驗(yàn)算 缸體采用45號(hào)無(wú)縫鋼管，由JB1068-67 查得可取缸

46、筒外徑75mm，則 則， 3. 液壓缸額定工作壓力（MP）應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全 式中： D——缸筒內(nèi)徑 ——缸筒外徑 ——缸筒材料的屈服點(diǎn)，45號(hào)鋼為340MPa 已知工作壓力，故安全。 4. 缸筒兩端部的計(jì)算 ① 缸筒底部厚度的計(jì)算 此夾緊缸采用了平行缸底，且底部設(shè)有油孔，則底部厚度為 考慮結(jié)構(gòu)要求，取h=10mm 式中： D——缸筒內(nèi)徑 ——液壓缸最大工作壓力，取 ——缸底材料的許用應(yīng)力，材料為45號(hào)鋼，，n為安全系數(shù)，取n=5。 ② 缸筒底部聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算 缸

47、筒底部采用螺釘聯(lián)接法蘭式缸頭，材料為35號(hào)鋼，聯(lián)接圖如下： 圖2 外卡環(huán)聯(lián)接圖 卡環(huán)尺寸一般?。? 外卡環(huán)a-b側(cè)面的擠壓應(yīng)力為： 缸筒危險(xiǎn)截面A-A上的拉應(yīng)力 故知缸筒底部聯(lián)接安全。 ③ 缸筒端部聯(lián)接強(qiáng)度計(jì)算 缸筒端部與手指是用螺釘聯(lián)接，聯(lián)接圖如下： 圖3 螺釘聯(lián)接圖 螺紋處的拉應(yīng)力： 螺紋處的剪應(yīng)力： 則合成應(yīng)力： 則知螺紋連接處安全可靠。 其中：K——擰緊螺紋的系數(shù)，取K=3 ——螺紋連接處的摩擦系數(shù)， ——螺紋外

48、徑， ——螺紋底徑， Z——螺釘數(shù)量，Z=4  二、 腕部的結(jié)構(gòu) (一) 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(jì)腕部時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 ② 轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)自由度的位置檢測(cè)、管線的布置以及潤(rùn)滑、維修、調(diào)整等問(wèn)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(guò)，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。 (二) 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部

49、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行連接和定位，動(dòng)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(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖3 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu) (三) 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)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(dòng)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩

50、。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： 式中：——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 ——慣性力矩 ——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 腕部回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算圖 1. 摩擦阻力矩M摩 式中： f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取f=0.01～0.02，滑動(dòng)軸承取f=0.1； N1 、N2 ——

51、軸承支承反力 （N）； D1 、D2 ——軸承直徑（m） 由設(shè)計(jì)知D1=0.035m D2=0.075m N1=800N N2=200N G1=294N e=0.020時(shí) 得 M摩 =2.15（N.m） 2. 工件重心引起的偏置力矩 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(shí)，為零 當(dāng)e=0.020，G1=294N時(shí) =

52、5.88 （Nm） 3. 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩M慣 ① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時(shí)，可用下式計(jì)算 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） t——手腕啟動(dòng)過(guò)程中所用時(shí)間（s），（假定啟動(dòng)過(guò)程中近為加速運(yùn)動(dòng)）一般取0.05～0.3s J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgm） ——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kgm） 按已知計(jì)算: 故

53、= 0.29（Nm） 考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可?。? 因此，得 4. 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大干總的阻力矩。 下圖為機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)液壓缸，定片1與缸體2固定連接，動(dòng)片3與轉(zhuǎn)軸5 固定連接，當(dāng)a、b口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)目的。 回轉(zhuǎn)缸簡(jiǎn)圖 1-定片 2-缸體 3-動(dòng)片 4-密封圈 5-轉(zhuǎn)軸 式中：——手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的總的阻力矩 p——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力 R——缸體內(nèi)孔半徑 r——輸出軸半徑

54、 b——?jiǎng)悠瑢挾?  三、 臂部的結(jié)構(gòu) (一) 概述 臂部是機(jī)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(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫向移動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要

55、求來(lái)設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)臂部時(shí)一般要注意下述要求： ① 剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)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(shí)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(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)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(duì)其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。

56、為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少偏重力矩和整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 ④ 運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)即不平穩(wěn)，定位精度也不會(huì)高。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定的緩沖措施。 (二) 手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械手手臂的伸縮、升降均屬于直線運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)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(jī)構(gòu)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。 4.2.1手臂伸縮運(yùn)動(dòng) 這里實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)是采用液壓驅(qū)動(dòng)

57、的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂機(jī)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(guò)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(shí)，則推動(dòng)活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng)，以防止手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（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(jiǎn)單，傳動(dòng)平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊?？捎糜谧ブ卮?、行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合。 圖5 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu) 4.

58、2.2 導(dǎo)向裝置 液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)手臂的結(jié)構(gòu)時(shí)，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(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機(jī)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(duì)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

59、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(duì)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。如下圖所示，在導(dǎo)向桿1的尾端用支承架4將兩個(gè)導(dǎo)向桿連接起來(lái)，支承架的兩側(cè)安裝兩個(gè)滾動(dòng)軸承2，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動(dòng)時(shí)，支承架上的滾動(dòng)軸承就在支承板3的支承面上滾動(dòng)。 雙導(dǎo)向桿手臂結(jié)構(gòu) 4.2.3 手臂的升降運(yùn)動(dòng) 如圖6所示為手臂的升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時(shí)，活塞杠4做上下運(yùn)動(dòng)，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動(dòng)套

60、筒3做升降運(yùn)動(dòng)。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵9實(shí)現(xiàn)。圖中6為位置檢測(cè)裝置。 圖6 手臂升降和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖 (三) 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。本機(jī)械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖6所示，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由齒條活塞桿8驅(qū)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)缸體上的平鍵9帶動(dòng)外套一起轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。 (四) 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 為便于進(jìn)行液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算，我們分別敘述伸縮液壓缸、升降液壓缸、回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算，解決臂部運(yùn)

61、動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算問(wèn)題，結(jié)合前面有關(guān)臂部和機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終定出臂部和機(jī)身的結(jié)構(gòu)。計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力（包括力矩）時(shí)，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時(shí)，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。 1. 手臂水平伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 作水平伸縮在線運(yùn)動(dòng)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力 手臂做水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)過(guò)程中的慣性力及加油背壓等幾方面的阻力。 其理論驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算： 估計(jì)參與手臂伸縮運(yùn)動(dòng)部件總重量,且重心位置距導(dǎo)向套前端面距離為200mm。 ① 的

62、計(jì)算： 由于導(dǎo)向桿對(duì)稱分布，導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。 由 知， 又 則 其中： L——重心距導(dǎo)向套前端距離,184.5mm a ——導(dǎo)向套長(zhǎng)度，300mm ——當(dāng)量摩擦系數(shù)，取=0.15 ② 的計(jì)算： 當(dāng)液壓缸的工作壓力小于 ，活塞桿直徑為液壓缸直徑的一半，則活塞和活塞桿都采用O型密封圈，此時(shí)液壓缸的密封阻力為： ③ 計(jì)算： 一般背壓阻力較小，取0.05 ④ 的計(jì)算： 式中： Δv——由靜止加速到常速的變化量 Δt——起動(dòng)過(guò)程時(shí)間，一般取0.01～0.5s，取Δt=0.02s 則：

63、得：=305.5N 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 式中： k——安全系數(shù)，k=2；η——傳力機(jī)構(gòu)機(jī)械效率，η=0.8. (2) 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 液壓缸內(nèi)徑的結(jié)構(gòu)尺寸，如圖，當(dāng)進(jìn)入無(wú)桿腔 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔 液壓缸的有效面積： 因此，，取D=63mm 式中：F——驅(qū)動(dòng)力 ——液壓缸的工作壓力 d——活塞桿直徑 D——液壓缸內(nèi)徑 η——液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取0.95 。 (3) 液壓缸臂厚計(jì)算 此缸工作壓力為，屬低壓，則缸筒臂厚采用薄壁計(jì)算公式 式中：——液壓缸內(nèi)工作壓

64、力 d——強(qiáng)度系數(shù)，無(wú)縫鋼管ф=1 C——計(jì)入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標(biāo)準(zhǔn)臂厚值 D——液壓缸內(nèi)徑 (4) 聯(lián)接螺釘強(qiáng)度計(jì)算 取螺釘數(shù)目Z=4，工作載荷： 預(yù)緊力 則，查手冊(cè)取螺紋直徑，p=0.75,材料為35號(hào)鋼的內(nèi)六角螺釘。 2. 升降缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ① 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦阻力和慣性力之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力可按下式計(jì)算： 其中： ——各支承處的摩擦力（N），，f=0.16；

65、 ——同上， ——同上， —— G——臂部運(yùn)動(dòng)部件及工件的總重量（N），490N； ——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。 則： 得出，F(xiàn)=727N ② 結(jié)構(gòu)尺寸的確定 缸內(nèi)徑計(jì)算： ，取D=160mm 根據(jù)強(qiáng)度要求，計(jì)算活塞桿直徑d: ， 結(jié)構(gòu)上，活塞桿內(nèi)部裝有花鍵及花鍵套，能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)向作用，同時(shí)可使活塞桿在升降運(yùn)動(dòng)中傳動(dòng)平穩(wěn)，且獲得較大剛度。 ③ 臂厚同伸縮缸一樣，取 ④ 聯(lián)接螺釘強(qiáng)度計(jì)算： 取螺釘數(shù)目Z=4，工作載荷

66、 則, ，查手冊(cè)取，螺距P=0.75，材料為35號(hào)鋼的內(nèi)六角螺釘。 3. 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ① 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來(lái)計(jì)算。若軸承處的摩擦力忽略不計(jì)，則，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算可不計(jì)。直接計(jì)入回轉(zhuǎn)缸效率中， 則 ，η取0.9 式中： ——角速度變化量（rad/s） ——啟動(dòng)過(guò)程時(shí)間，0.05～0.5s,取 ——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。經(jīng)分析知，當(dāng)手臂完全伸出時(shí)，此時(shí)達(dá)到最大值，估算此時(shí)回轉(zhuǎn)零件的重心到轉(zhuǎn)軸線的距離為ρ=150mm,則 ② 回轉(zhuǎn)缸參數(shù)的計(jì)算 式中： D——回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 d——轉(zhuǎn)軸直徑 p——回轉(zhuǎn)缸工作壓力 b——?jiǎng)悠瑢挾? 為減少動(dòng)片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度（即液壓缸寬度）時(shí)，可選用 ,這里取，且D=2d 對(duì)于活塞、導(dǎo)向套筒和油