平動搬運機械手的結構設計

平動搬運機械手的結構設計,平動,搬運,機械手,結構設計 本科畢業(yè)設計(論文) 題目：平動搬運機械手的結構設計 　　　　　　　　　　　 平動搬運機械手的結構設計 摘 要 隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，機器人技術越來越受到廣泛關注，在工業(yè)生產(chǎn)日益現(xiàn)代化的今天，機器人的使用變得越來越普及。因此，對于機器人技術的研究也變得越來越迫切，尤其是工業(yè)機器人方面。本論文作者針對這一領域，設計了一款液壓機械機械手，該機器人擁有五個自由度。首先，作者針對該機器人的設計要求，對結構設計選擇了一個最優(yōu)方案，對關鍵零件設計并進行校核。 本課題是一個機械、液壓緊密的實用性項目，文中對機械手機械結構的設計、液壓系統(tǒng)的設計。最后，總結了全文，指出了機械手的改進措施、應用前景和發(fā)展方向。 關鍵詞：機械手；液壓系統(tǒng)；五個自由度 I Structure Design Of?Parallel?Manipulator Abstract With the development of modern science and technology, the robot technology has been paid more and more attention, in an increasingly modernized industrial production, the use of robots is becoming more and more popular. Therefore, the research of robot technology becomes more and more urgent, especially industrial robots. The author of this thesis in this field, design of a hydraulic mechanical manipulator, the robot has five degrees of freedom. First of all, the author according to the requirement of the design of this robot, an optimal scheme of the structure design of the selection, the design of key parts and checked. This topic is a mechanical, hydraulic close practical project, design of mechanical design, mechanical structure of the hydraulic system of the mobile phone in. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction. Keywords: manipulator; hydraulic system; five degrees of freedom IV 目 錄 1 緒論 1 1.1 選題背景及其意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1 1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 1 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.3發(fā)展趨勢 3 1.3 本設計主要研究的內(nèi)容 3 1.3.1機械設計結構部分 3 1.3.2機械手驅動方式 4 2 機械手的總體設計 5 2.1 機械手的組成 5 2.2 機械手的設計 5 2.2.1 設計要求 5 2.2.2 總體設計任務 5 2.2.3 總體方案擬定 7 3 機械手結構件設計 9 3.1 末端操作器的設計 9 3.2 手腕的設計 9 3.3 手臂的設計 9 3.4 機身和機座的設計 10 4 機械手各部件的載荷計算 12 4.1 設計要求分析 12 4.2 手指夾緊機構的設計 12 4.3 手臂伸縮機構載荷的計算 13 4.4 手臂俯仰機構載荷的計算 14 4.5 機身擺動機構載荷力矩的計算 14 4.6 初選系統(tǒng)工作壓力 15 5 機械手各部件結構尺寸計算及校核 17 5.1 手腕油缸尺寸的設計校核 17 5.2 手臂伸縮機構結構尺寸的設計校核 20 5.3 手臂俯仰機構結構尺寸的設計校核 20 5.4 機身擺動機構的設計校核 20 5.5 強度校核 20 5.6 彎曲穩(wěn)定性校核 21 6 液壓系統(tǒng)的設計 23 6.1 基本回路的選擇 23 6.2 液壓元件的選擇與校核 23 6.2.1 液壓泵的選擇 23 6.2.2 液壓泵所需電機功率的確定 25 6.2.3 液壓閥的選擇 25 6.2.4 液壓輔助元件的選擇原則 26 6.2.5 油箱容量的確定 27 6.2.6 液壓原理圖 28 7 結論 30 參考文獻 31 致 謝 32 1 緒論 1.1 選題背景及其意義 隨著工業(yè)自動化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動場合必將由機器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動強度，另一方面可以大大提高勞動生產(chǎn)率。 通過本課題，讓學生在畢業(yè)設計過程中綜合大學所學基礎課程及專業(yè)課程，培養(yǎng)學生綜合應用所學知識和技能去分析和解決一般工程技術問題的能力；進一步培養(yǎng)學生分析問題、創(chuàng)造性地解決實際問題的能力。 本課題中多平動搬運機械手的系統(tǒng)主要采用液壓驅動。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 工業(yè)機械手最早應用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運。工業(yè)機械手延伸和擴大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作，代替人完成繁重、單調重復勞動，提高勞動生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質量。目前主要應用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機械手與數(shù)控加工中心，自動搬運小車與自動檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)，實現(xiàn)生產(chǎn)自動化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機械手的應用領域日益擴大。 我國工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于20世紀70年代。1972年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器人等。這些機器人的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器等。 我國的工業(yè)機械手發(fā)展主要是逐步擴大其應用范圍。在應用專業(yè)機械手的同 32 時，相應的發(fā)展通用機械手，研制出示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專業(yè)機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用?？梢詫C械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構，設計成典型的通用機構，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機構，組裝成各種用途的機械手，即便于設計制造，又便于跟換工件，擴大了應用范圍。目前國內(nèi)機械手主要用于機床加工、鍛造。熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的今后趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如發(fā)生少許偏差時候，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定的成績。 1962年，美國又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲存裝置。不少球面坐標式機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也實驗成功一種叫Versatran機械手，原意是靈活搬運，可做點位和軌跡控制：該機械手的中央立柱可以回轉、升降、伸縮，采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機械手發(fā)展的基礎。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機器人相繼在生產(chǎn)中開始應用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制出一種Unimation—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)。聯(lián)邦德國機器制造業(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)：聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制；日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快，應用國家最多的國家，自1969年從美國引進兩種典型機械手后，開始大力從事機械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機械手應用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應用機械手，主要用于機械化、自動化程序較低、繁重單調、有害于健康的輔助性工作。 1.2.3發(fā)展趨勢 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動機械手。車身在每個工序的移動；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點焊機焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點焊，都采用了各種特殊功能的氣動機械手。 目前世界高端工業(yè)機械手均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，良新產(chǎn)品可以達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域將會突破傳統(tǒng)的機械領域，從而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 1.3 本設計主要研究的內(nèi)容 本課題研究的機械手一共擁有五個自由度，采用全液壓驅動，來夾取工件，本文擬定解決的主要問題如下： 機械手的執(zhí)行機構，由手爪、手腕、手臂、支座組成。手爪是抓取機構，用來夾緊或是松開噴槍，與人的手指相仿，能完成人手的類似動作。手腕是連接手指和手臂的元件，可以進行俯仰動作。簡單的機械手可以沒有手腕，而只有手臂，手臂的動作和手腕相類似，只是動作范圍更大，可以前后伸縮，上下俯仰和左右擺動等。支柱用來支撐手臂，它是固定的。 1.3.1機械結構部分 1）運動形式方案選擇 為實現(xiàn)不同動作，應選取不同方案。本課題已確定采用球坐標機構。 2）機身結構 機身采用回轉與俯仰結構機身。實現(xiàn)回轉的驅動方案有幾種，擺動油缸驅動，升縮油缸在上，回轉油缸在下。實現(xiàn)機身回轉采用液壓馬達驅動。 3）手臂結構 手臂的運動方式為左右轉動、前后伸縮及上下擺動，其中上下擺動采用手臂俯仰油缸與活塞桿機構連用來實現(xiàn)，手臂的前后伸縮采用直線缸來實現(xiàn)。 4）手腕結構 手腕設計根據(jù)我所設計的機械手的要求，選擇雙自由度手腕。手腕的俯仰動作由液壓缸直接驅動，抓取同樣用液壓缸驅動。 1.3.2機械手驅動方式 采用液壓驅動，液壓實現(xiàn)機身的回轉與俯仰，以及各部件的伸縮俯仰運動。為實現(xiàn)機身的旋轉，選用液壓馬達驅動。手臂伸縮與俯仰都采用液壓缸驅動。手腕俯仰采用液壓缸驅動，手抓的驅動同樣采用液壓驅動。 2 機械手的總體設計 2.1 機械手的組成 機械手由三大部分（機械部分、傳感部分、控制部分）六個子系統(tǒng)（驅動系統(tǒng)、機械結構系統(tǒng)、感受系統(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）。 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)能夠工作的裝置，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(xiàn)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(jù)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 機械手的設計 2.2.1 設計要求 該機械手的動作流程：初始位姿→手爪松開→抓住物體→機身轉動→手臂向上運動→手臂進行伸長→手腕上下俯仰→放下物體→手腕歸位→手臂回縮→手臂向下歸到原位→機身回轉回到初始位姿。 2.2.2 總體設計任務 (1) 結構形式的選擇：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：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(shù)目。在運動形式上分為為直線運動P，為旋轉運動R。自由度數(shù)的多少反映了這種機械手能完成動作的復雜程度，根據(jù)對機械手必須完成的動作的研究，設計五個自由度的機械手即可完成所規(guī)定的工作任務。 (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(xiàn)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(xiàn)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。 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(xiàn)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(xiàn)緩沖吸著震，并能自動防止過載。與電氣配合，容易實現(xiàn)動作和操作自動化，與微電子技術和計算機配合，能夠實現(xiàn)各種自動控制工作。液壓元件基本已經(jīng)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(xiàn)較高的位置精度。液壓傳動中，力，速度和方向比較容易實現(xiàn)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。控制時只要求工業(yè)機器人快速、準確地實現(xiàn)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(xiàn)，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(nèi)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(jù)自身內(nèi)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。 2.2.3 總體方案擬定 考慮本機械手工作要求的特殊情況，本設計采用懸臂式五自由度的機械手： 自由度具體分配如下： 1）手臂回轉自由度。擬采用液壓馬達來實現(xiàn)，液壓馬達通過齒輪傳動通過帶動與之相連的缸體也發(fā)生轉動，從而實現(xiàn)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(xiàn)。設計中擬采用單活塞桿液壓缸來實現(xiàn)，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(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關來調整。 4）手腕俯仰自由度。擬采用液壓缸來實現(xiàn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。 5）手爪的抓取自由度。擬采用液壓缸來實現(xiàn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關來調整。 3 機械手結構件設計分析 3.1 末端操作器的設計 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(jù)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(jù)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(jù)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?。⒁姿椋úＡ?、磁盤）、微?。ú灰鬃ト。┑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。 3.2 手腕的設計 機器人手腕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(xiàn)手部的翻轉（Roll）動作，腕部結構主要體現(xiàn)在手部相對于臂部的旋轉運動上。 3.3 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。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(xiàn)。 本設計采用單作用（單活塞桿）缸來實現(xiàn)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(chǎn)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(jù)手臂的結構、抓重等因素，為了使抓取時不產(chǎn)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(chǎn)生過大的偏重力矩。簡圖如下： 圖3.1 四導向桿式手臂機構簡圖 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。 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，這樣當壓力油進入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。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(nèi)擺動。 采用擺動馬達來實現(xiàn)手臂的回轉。 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(xiàn)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。 3.4 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(xiàn)手臂的升降、回轉或俯仰運動。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。 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。 4 機械手各部件的載荷計算 4.1 設計要求分析 本課題設計的多自由度機械手采用關節(jié)型坐標系、全液壓驅動，具有手臂伸縮、俯仰、回轉、抓取和手腕回轉五個自由度。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、手臂回轉機構和手抓的抓取機構等組成，每一部分均由液壓缸驅動與控制。 4.2 手指夾緊機構的設計 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(jù)需要夾持的工件設定，V形指合攏后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。 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部結構的主要依據(jù)。夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)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)。 手指對工件的夾緊力計算： （4.1） 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。可估算： = （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0.3～0.5。 ——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行選定。0.9～1.1。 ——被抓取工件所受重力（）。 計算可得： 手指夾緊由單作用液壓缸驅動實現(xiàn)，則手指夾緊缸的載荷為： 160 4.3 手臂伸縮機構載荷的計算 手臂伸縮采用雙作用液壓缸實現(xiàn)，臂部作水平伸縮運動時，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向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還在克服啟動過程中的慣性力。其驅動力可可按下式計算： （4.4） 式中： ——各支承處的的摩擦阻力（N），其大小可按下式估算： （4.5） 式中： G——運動部件所受的重力（）； ——外載荷作用于導軌上的正壓力（），其大小可按下式計算： （4.6） ——摩擦系數(shù)，取0.1，詳見機械設計手冊表23.4-1； ——啟動過程中的慣性力（），其大小可按下式估算： （4.7） 式中： ——重力加速度，取9.8； ——速度變化量（）。如果臂部從靜止狀態(tài)加速到工作速度時，則這個過程的速度變化量就等于臂部的工作速度。 ——啟動或制動時間（），一般為0.1～。對輕載低速運動部件取小值，對重載高速部件取大值，行走機械一般取0.5~1.5。 經(jīng)過計算得： = 4.4 手臂俯仰機構載荷的計算 當手臂從水平位置成仰角時或從角度恢復為水平時的加速或減速過程，鉸接活塞桿的載荷（即俯仰直線缸驅動力）達到最大。其在垂直方向上的最大線速度為0.07，加速時間為0.1，由于升降過程一般不是等加速運動，故最大驅動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。則手臂俯仰油缸載荷： （4.8） 式中： ——手臂俯仰缸所支撐的重量（），由下式可得： ——手臂俯仰缸的活塞桿的加速度。 經(jīng)過計算得： 4.5 機身擺動機構載荷力矩的計算 臂部回轉運動驅動力矩,應根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉部件支承處的摩擦力矩來計算?；剞D動時,由于起動過程中不是等加速運動,所以最大驅動力矩比理論上平均值大一些，計算時一般取1.3倍。計算時還要考慮液壓馬達的機械效率（0.9~0.99），驅動力矩按下式計算： （4.9） 式中： ——摩擦力矩(包括各支承處的摩擦力矩) （）； ——起動時慣性力矩（），一般按下式計算: （4.10） 其中： ——臂部對其回轉軸線的轉動慣量（）； ——速度變化量（）； ——回轉運動起動或制動所需的時間（s）, 一般為0.1～0.5s。對輕載低速運動部件取小值，對重載高速部件取大值，行走機械一般取=0.5～1.5m/s。 在計算臂部部件的轉動慣量時，可將形狀復雜的零件簡化為幾個形狀簡單的零件，分別求出各簡單零件的轉動慣量。若零、部件沿臂部伸縮運動方向上的軸向尺寸與其重心到回轉軸線的距離比值不超過二分之一時，一般可把它當作質點來計算，這樣簡化計算的誤差不超過5%。經(jīng)過計算可得如下結果： = 4.6 初選系統(tǒng)工作壓力 壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟條件及元件供應情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢必要加大執(zhí)行元件的結構尺寸，對某些設備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不經(jīng)濟；反之，壓力選得太高，對泵、缸、閥等元件的材質、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設備成本。一般來說，對于固定的尺寸不太受限制的設備，壓力選低一些，行走機械重載設備壓力要選得高一些。選擇可參考一下兩表： 表4.1 按載荷選擇工作壓力 載荷/KN <5 5～10 10～20 20～30 30～50 >50 工作壓力 /MPa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 ≥5 表4.2 各種機械常用的系統(tǒng)工作壓力 機械類型 磨床 組合 機床 龍門 刨床 拉床 農(nóng)業(yè)機械小型工程機械 建筑機械液壓鑿巖機 液壓機 大中型挖掘機 起重機械 起重運輸機械 工作壓力/MPa 0.8～2 3～5 2～8 8～10 10～18 20～32 從各方面綜合考慮，根據(jù)計算所得的數(shù)據(jù)，搬運機械手的工作壓力選擇為8MPa。 5 機械手各部件結構尺寸計算及校核 本次設計的機械手的主要結構部件即為液壓缸，總體結構尺寸即為液壓缸尺寸。一般來說液壓缸是標準件,但有時也需來自行設計,故需了解其主要尺寸的計算及強度、剛度的驗算方法。對于活塞缸，缸的直徑是指缸的內(nèi)徑。缸的內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負載和選取的工作壓力來確定。 5.1 手腕油缸尺寸的設計校核 手指夾緊采用的單作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。 (1) 液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑的確定 為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，下圖為活塞桿工作在受拉狀態(tài)。 活塞桿受壓時 圖5.1 活塞桿受壓示意圖 （5.1） 活塞桿受拉時 圖5.2 活塞桿受拉示意圖 （5.2） 式中： ——無桿活塞桿有效作用面積（）； ——有桿活塞桿有效作用面積（）； ——液壓缸工作腔壓力8MPa； ——背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時可參照表5-1，此處選取背壓0。 ——油缸內(nèi)徑（）； ——活塞桿直徑（）。 表5.1 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) 0.2～0.5 回油路帶調速閥系統(tǒng) 0.4～0.6 回油路設置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5～1.5 用補油泵的閉式回路 0.8～1.5 回油路較復雜的工程機械 1.2～3 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，可得： D= （5.3） 有桿腔進液體或氣體時，不考慮機械效率，可得： = （5.4） 這時，上面兩式便可簡化，即無桿腔進液體時： = （5.5） 有桿腔進油時： = （5.6） 若綜合考慮排液對活塞產(chǎn)生的背壓，活塞和活塞桿處密封及導套產(chǎn)生的摩擦力，以及運動件質量產(chǎn)生慣性力等的影響，一般取機械效率0.8或0.9?；钊麠U的桿徑可根據(jù)工作壓力選取，見表5-2。 表5.2 按工作壓力選取d/D 工作壓力/MPa ≤5.0 5.0～7.0 ≥7 / 0.5～0.55 0.62～0.70 0.7 當液壓缸的往復速度比有一定要求時，桿徑可由下式計算。 d= （5.7） 液壓缸的速比過大會使無桿腔產(chǎn)生過大的背壓，速度比過小則活塞桿太細，穩(wěn)定性不好。推薦液壓缸的速度比如表所示。 表5.3 按速比要求確定d/D 往復速比 1.15 1.25 1.33 1.46 1.61 2 / 0.3 0.4 0.5 0.55 0.62 0.71 經(jīng)過計算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑96，活塞桿直徑67.2。按照GB/T2348-1993標準，圓整其值為，活塞桿直徑。 液壓缸的缸筒長度由活塞桿最大行程、活塞長度、活塞桿導向套長度、活塞桿密封長度和特殊要求的其它長度確定。一般活塞桿寬度（1.6~1.0）；在>80時，導向套滑動面長度（0.6~1.0）。為了減少加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應大于內(nèi)徑的20~30倍。根據(jù)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。活塞桿受軸向壓縮負載時，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(shù)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： （5.8） 式中：——缸筒內(nèi)最高工作壓力； ——缸筒材料的許用應力，由下式可計算： = （5.9） 式中： ——材料的抗拉強度，查機械手冊得610MPa； ——安全系數(shù)，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10。 5.2 手臂伸縮機構結構尺寸的設計校核 手臂伸縮機構采用的雙作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑145，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(jù)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。 5.3 手臂俯仰機構結構尺寸的設計校核 手臂俯仰機構采用的雙作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)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(jù)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。 5.4 機身擺動機構的設計校核 機身擺動選用的液壓馬達，由上一章已知其載荷力矩的大小。 液壓馬達的排量為 /r 根據(jù)實際工況設計中選取GM05型的液壓馬達。 5.5 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： （5.10） 式中： ——活塞桿的作用力，單位； ——活塞桿直徑，單位； ——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: 故<<，所以滿足強度要求。 5.6 彎曲穩(wěn)定性校核 活塞桿受軸向壓力作用時，有可能產(chǎn)生彎曲，當此軸向力達到臨界值時，會出現(xiàn)壓桿不穩(wěn)定現(xiàn)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： （5.11） （5.12） （5.13） （5.14） 式中： ——缸承受的軸向壓力（）； ——安全系數(shù)，一般取3.5～6； ——液壓缸安裝及導向系數(shù)，見機械設計手表20-6-17。 ——活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界壓力（），可由下式計算： L——液壓缸支承長度（）； ——活塞桿橫截面慣性矩（），可由下式計算： ——實際彈性模數(shù)，可由下式計算： ——材料的彈性模數(shù)（），鋼材； ——材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般取a； ——活塞桿截面不均勻系數(shù)，一般取b； ——活塞桿直徑（）。 計算可得： 4.9× 所以彎曲強度滿足要求。 6 液壓系統(tǒng)的設計 6.1 基本回路的選擇 設計合理的液壓系統(tǒng)才能確保全面、可靠地實現(xiàn)設計任務書中規(guī)定的各項技術指標，通常做法是先選定系統(tǒng)類型，分別選擇各項要求的基本回路，最后再將各基本回路組合成完整的液壓系統(tǒng)。由于影響液壓系統(tǒng)方案的因素很多，設計中仍主要靠經(jīng)驗來完成。 1）壓力源回路：壓力源回路又稱動力源回路，其功能是向液壓系統(tǒng)提高滿足執(zhí)行機構需要的壓力和流量。壓力源回路是由油箱、油箱附件、液壓泵、電動機（發(fā)動機）、安全閥、過濾器、單向閥等組成。設計中采用高低壓雙聯(lián)泵液壓源回路。 2）壓力控制回路：壓力控制回路是以控制系統(tǒng)及各支路壓力，使之完成特定功能的回路。壓力控制回路的種類很多，在一個工作循環(huán)的某一段時間內(nèi)各支路均不需要新提供的液壓能時，考慮采用泄卸荷回路；當某支路需要穩(wěn)定的低于動力油源的壓力時，應考慮減壓回路；當載荷變化較大時，應考慮多級壓力控制回路；當有慣性較大的運動部件時容易產(chǎn)生沖擊時，應考慮緩沖或制動回路；在有升降運動部件的液壓系統(tǒng)中應考慮平衡回路等。本設計中采用通常將調壓、限壓回路與油源回路合并考慮。 3）速度控制回路：液壓系統(tǒng)原理圖的核心是調速回路，調速方案和調速回路對其它回路的選擇具有決定性的影響。本系統(tǒng)是功率較小的，故選用簡單的進油路節(jié)流閥調速。同樣的道路選用單泵供油，力求較好的經(jīng)濟性。在機械手的升降缸采用單伸出桿時，為了使往復運動速度一致時要采用兩個單向節(jié)流閥來實現(xiàn)。若只用一個節(jié)流閥調速時，則應將節(jié)流閥放到換向閥下面，并按有桿腔進油達到最大允許速度，但仍然符合設計要求。 4）方向控制回路：控制執(zhí)行元件的啟動、停止或改變運動方向或控制液流通斷或改變方向均需采用方向控制回路。實現(xiàn)方向控制的基本方法有：閥控主要是采用控制閥分配液流；泵控是采用雙向定量泵或雙向變量泵改變液流的方向和流量；執(zhí)行元件控制是采用雙向液壓馬達來改變液流方向。本設計中采用閥控。 6.2 液壓元件的選擇與校核 6.2.1 液壓泵的選擇 油泵作為液壓系統(tǒng)的動力元件，是液壓系統(tǒng)的心臟，它把原動機（電動機、柴油機等）輸入的機械能（轉矩和角速度）轉換為液壓能（壓力和流量）輸出，為執(zhí)行元件提供壓力油。液壓泵的性能好壞直接影響到液壓系統(tǒng)的工作特性和可靠性，在液壓傳動中占有及其重要的地位。液壓泵按排量能否改變分為定量泵和變量泵；按進、出油口的方向是否可變分為單向泵和雙向泵；按運動構件的形狀和運動方式分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵。 選用液壓泵的原則和根據(jù)有： （1） 是否要求變量 要求變量選用變量泵，其中單作用葉片泵的工作壓力較低，僅適用于機床系統(tǒng)。 （2） 工作壓力 目前各類液壓泵的額定壓力都有所提高，但相對而言，柱塞泵的額定壓力最高。 （3） 工作環(huán)境 齒輪泵的抗污染能力最好，因此特別適于工作環(huán)境較差的場合。 （4） 噪音指標 屬于低噪音的液壓泵有嚙合齒輪泵、雙作用葉片泵和螺桿泵，后兩種泵是瞬時理論流量均勻。 （5） 效率 按結構形式分，軸向柱塞泵的總效率最高；而同一種結構的液壓泵，排量大的總效率高；同一排量的液壓泵，在額定工況（額定壓力、額定轉速、最大排量）時總效率最高，若工作壓力低于額定壓力或轉速低于額定轉速、排量小于最大排量，泵的總效率將下降，甚至下降很多。因此，液壓泵應在額定工況（額定壓力和額定轉速）或接近額定工況是條件下工作。 目前在機械手上多數(shù)采用齒輪泵和葉片泵，而從流量特性來看，多數(shù)是采用定量泵。設計中采用PV2R雙聯(lián)葉片泵。已知系統(tǒng)壓力為8MPa，選取PV2R12，查機械設計手冊表20-5-33選取其前泵排量V1為33mL/r，后泵排量V2為12mL/r，其允許最高轉速1800r/min，最低轉速750r/min。該泵使用普通液壓油時前泵的最高使用壓力為14MPa，后泵為16MPa，滿足系統(tǒng)要求的8MPa。 前泵的流量： （6.1） 式中： ——泵的排量（）； ——泵的額定轉速（）。 后泵的流量： （6.2）式中： ——泵的排量（）； ——泵的額定轉速（）。 6.2.2 液壓泵所需電機功率的確定 （6.3） 式中： ——油泵所需要的電動機功率； ——油泵的最大工作壓力（）； ——油泵最大流量（）； ——油泵總效率，一般葉片泵0.75～0.85；齒輪泵0.6～0.8；柱塞泵0.75～0.9。 前泵所需電機功率： 后泵所需電機功率： 6.2.3 液壓閥的選擇 液壓閥的作用是控制液壓系統(tǒng)的油流方向、壓力和流量，從而控制整個液壓系統(tǒng)的全部功能，如系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機構的動作程序，工作部件的運動速度、方向，以及變換頻率，輸出力或力矩等等。液壓閥的性能是否可靠，是關系到整個液壓系統(tǒng)能否正常工作的問題。 液壓閥的分類有：1）壓力控制閥：主要控制執(zhí)行機構輸出力或輸出轉矩的大小，并確定液壓泵及整個液壓系統(tǒng)的工作負載，在過載時起到保護系統(tǒng)的作用。2）流量控制閥：根據(jù)執(zhí)行機構運動速度的要求供給所需流量。3）方向控制閥:控制油流的通、切斷或改變油流的方向，以控制執(zhí)行機構的運動方向等。三類閥還可以相互組合，成為復合閥，以減少管路的連接，式結構更為緊湊，提高系統(tǒng)效率。液壓傳動系統(tǒng)，選擇合適的液壓閥，是使系統(tǒng)設計合理，性能優(yōu)良，安裝簡便，維修容易，并保證該系統(tǒng)正常工作的重要條件。 根據(jù)本液壓的設計要求，液壓閥的選擇按定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量的原則。選擇換向回路的核心是選擇換向閥的形式，以實現(xiàn)對于換向精度及換向平穩(wěn)性的要求。一般來說，換向性能要求高，應選用機動換向閥或液動換向閥，若對于換向性能無特別要求，應選用電磁閥。根據(jù)本設計液壓系統(tǒng)要求，夾緊缸換向選用兩位兩通電磁閥，其他缸全部選用三位四通電磁換向閥。 為防止俯仰缸因自重自由下滑和伸縮缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用單向順序閥來平橫。為保證夾緊缸夾持工件的可靠性，選用液控單向閥保壓和鎖緊。手臂升降缸為立式液壓缸，為支承平衡手臂運動部件的自重，采用了單向順序閥的平衡回路。 6.2.4 液壓輔助元件的選擇原則