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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
熱處理上下料機(jī)械手
摘要
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類社會進(jìn)入了一個以自動化和電子技術(shù)為標(biāo)志的新時代。自動化機(jī)械大量應(yīng)用于工業(yè)工程中，其中工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用最為廣泛。工業(yè)機(jī)械手是一種模仿人手動作的機(jī)器，可以取代很多的人工操作，并可以取得更高的效率。
本論文介紹了用于夾持熱處理件的上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)。它采用液壓驅(qū)動，動作平穩(wěn)，控制方便。
本論文主要闡述該機(jī)械手的升降和回轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)和計(jì)算。首先從機(jī)械手的基礎(chǔ)知識介紹有關(guān)機(jī)械手的組成、分類、臂部設(shè)計(jì)，液壓控制的多種方案，再從本次設(shè)計(jì)所要求的功能原理設(shè)計(jì)開始，對于不同的方案加以比較和論證，從中可確定出最優(yōu)方案，并采用其方案。著重闡述了機(jī)身的設(shè)計(jì)，具體闡述了機(jī)械手的設(shè)計(jì)原則和步驟，分析了設(shè)計(jì)時應(yīng)注意的問題，并對機(jī)械手的平穩(wěn)性及定位精度給予詳細(xì)的論述。設(shè)計(jì)并分析了該機(jī)械手所用的液壓控制的方法和過程。由于經(jīng)驗(yàn)不足，知識有限，難免有誤，有待改進(jìn)。
關(guān)鍵詞 機(jī)械手；液壓；驅(qū)動力；定位精度
37
Abstract
With the development of technology, the human society entered a modern ear for with automation with electronics technique for marking. Automation machine large quantity is applied in industry engineering inside, among them the application of the industry machine hand is the most extensive. The industry machine of a kind of mimicry hand action, can replace a lot of artificials operate, combining can obtain the higher efficiency.
This thesis introduces to used for clipping to hold the outside circle a design for and down anticipating machine hand. It adopts the liquid presses to drive, ordering a procedure control, acting steady, control convenience.
This thesis expatiates the rise and fall of the machine’s hand primarily with the design of the turn-over with compute. Constitute, divide into section form the relevant machine in introduction in knowledge in foundation of the machine hand first, wrist a various projects for and arm department designing, liquid pressing control, start from this design a function for requesting principle, take into the comparison to the different project with the argument, can make sure the superior project from the inside, combine to adopt its project, in as to it’s of the foundation of the construction design, as to it’s driver force and moment proceed the calculation. Emphasize the design that expatiated the fuselage, expatiated the design principle of the machine hand in a specific way with the step, analyzed the problem of design should notice, and give to the steady and fixed position accuracy of the machine hand detailed treatise. Because of experience shortage, the knowledge is limited, difficult do not need the mistake, treat to improve.
Keywords Manipulator; Liquid presses; Driving force; Fixed position accuracy
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 課題的研究背景和意義 1
1.2 課題的發(fā)展前景 1
1.3 本章小結(jié) 2
第2章 工業(yè)機(jī)械手概述 3
2.1 工業(yè)機(jī)械手的分類 3
2.2 工業(yè)機(jī)械手的組成 3
2.3 工業(yè)機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式 5
2.3.1 工業(yè)機(jī)械手的自由度 5
2.3.2 機(jī)械手的幾種坐標(biāo)形式 6
2.4 本章小結(jié) 7
第3章 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì) 8
3.1 手部 8
3.2 臂部 10
3.3 手部升降部分 13
3.4 本章小結(jié) 23
第4章 機(jī)械手總體方案的總結(jié) 24
4.1 機(jī)械手的動作和規(guī)格參數(shù) 24
4.2 本機(jī)械手的特點(diǎn) 24
4.3 本章小結(jié) 24
結(jié)論 25
致謝 26
參考文獻(xiàn) 27
附錄 28
About Modenr Industrial Manipulayor 28
第1章 緒論
1.1 課題的研究背景和意義
有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。
1.2 課題的發(fā)展前景
我國的工業(yè)機(jī)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)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(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(jī)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(jī)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，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(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、模化設(shè)計(jì)，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。
1.3 本章小結(jié)
本章主要介紹了，機(jī)械手的研究意義和發(fā)展前景，由此體現(xiàn)出該課題在生產(chǎn)實(shí)際中的重要。
第2章 工業(yè)機(jī)械手概述
2.1 工業(yè)機(jī)械手的分類
工業(yè)機(jī)械手目前在國內(nèi)是專用機(jī)械手和通用機(jī)械手的統(tǒng)稱。
專用機(jī)械手是指附屬于主機(jī)、動作程序固定，一般沒有獨(dú)立控制系統(tǒng)，只做專門用途的自動抓取或操作裝置。
通用機(jī)械手（國外泛稱工業(yè)機(jī)器人）是指程序可變的、獨(dú)立的、自動化的抓取或操作裝置。
目前多機(jī)械手尚無明確的分類標(biāo)準(zhǔn)，全國各地區(qū)尚未統(tǒng)一，我們按目前應(yīng)用比較多的兩方面進(jìn)行分類：
1. 按搬運(yùn)的工件重量（或稱臂力）分類
(1) 小型的——臂力在1公斤以下；
(2) 中型的——臂力在1~30公斤以內(nèi)；
(3) 大型的——臂力在30公斤以上。
目前大多數(shù)的工業(yè)機(jī)械手其搬運(yùn)重量為中型的。
2. 按機(jī)能分類
簡易型通用機(jī)械手
有固定程序和可變程序兩種。固定程序由擋塊或凸輪轉(zhuǎn)鼓控制；可變程序用插銷板來給定程序。
這種機(jī)械手多為氣動或液壓驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，改變程序較容易。只適用于程序較簡單的點(diǎn)位控制，實(shí)現(xiàn)重復(fù)性操作作為一般單機(jī)服務(wù)的搬運(yùn)工作也完全夠。目前這種機(jī)械手的數(shù)量最多。
示教再現(xiàn)型通用機(jī)械手
這種機(jī)械手由人工通過示教裝置領(lǐng)動一遍，或者預(yù)先操作給定一遍，稱為示教。它由磁鼓（或磁帶、磁芯）把程序記錄下來，以后機(jī)械手就自動按記憶的程序，重復(fù)地進(jìn)行循環(huán)動作。
這種機(jī)械手多為電液伺服控制。與前者比較，這種機(jī)械手可有較多的自由度，有可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，能進(jìn)行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較大。
具有視覺、觸覺的通用機(jī)械手
這種機(jī)械手由電子計(jì)算機(jī)控制，裝有電視攝像管和傳感器等，因而具有視覺、熱感、觸覺等。
2.2 工業(yè)機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)有簡單的也有復(fù)雜的。但從結(jié)構(gòu)形式分析，主要有執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、位置檢測裝置和控制系統(tǒng)等組成。
1. 執(zhí)行機(jī)構(gòu)
它包括手部、腕部、臂部、立柱和基體等構(gòu)件組成：
(1) 手部——是夾持工件的構(gòu)件。它由手爪和夾緊裝置兩部分組成。手爪有夾緊和松開動作。夾持式手爪的形式和人的手指相仿。另外還有真空和電磁吸盤（相當(dāng)于手爪），用來吸取表面光滑的零件或薄板。有的手爪還可以夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。
(2) 腕部——是聯(lián)接手部和臂部的構(gòu)件，起支撐手部的作用。它可以有俯仰、左右擺動和回轉(zhuǎn)三個運(yùn)動。特殊情況下可以增加一個橫向移動。有的機(jī)械手沒有手腕動作。
(3) 臂部——是支撐手部、腕部的構(gòu)件。機(jī)械手的臂部是為了取代人的手臂而研究設(shè)計(jì)的，但是它卻達(dá)不到象人手臂的靈巧和適應(yīng)功能。因此，只有把結(jié)構(gòu)簡化，把運(yùn)動軌跡分為沿三坐標(biāo)軸線方向往復(fù)移動和繞三坐標(biāo)軸線進(jìn)行回轉(zhuǎn)。一般手臂具有前后伸縮、左右回轉(zhuǎn)、上下升降或上下擺動等幾個運(yùn)動。根據(jù)需要可選其中一個、二個或三個運(yùn)動。
(4) 立柱——是支撐手臂等構(gòu)件的。一般機(jī)械手的立柱為固定不動的，也有的因工作需要立柱作橫向移動，此種稱可移動式立柱。
(5) 行走機(jī)構(gòu)——機(jī)械手要求完成較遠(yuǎn)距離的操作時，可增加滾輪、軌道等行走機(jī)構(gòu)。
2. 驅(qū)動系統(tǒng)
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動臂部、腕部、手部的動力源。它有氣動、液壓、電力和機(jī)械式等四中形式，由直線缸、回轉(zhuǎn)缸、各種閥、管及管接頭等組成。
3. 控制系統(tǒng)
控制系統(tǒng)是機(jī)械手的重要組成部分，它是支配機(jī)械手按規(guī)定程序、行程和速度進(jìn)行運(yùn)動的裝置。它必須保存或記憶人們給予機(jī)械手的指令信息（如動作順序，到達(dá)位置和時間信息）。機(jī)械手工作時根據(jù)這些信息對機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)按程序發(fā)出控制指令，必要時還可以多機(jī)械手的動作進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)動作錯誤或發(fā)生故障時可發(fā)出警告信號。
4. 行程位置檢測裝置
行程位置檢測裝置的作用是控制機(jī)械手每個運(yùn)動的運(yùn)動位置，或?qū)⑦\(yùn)動系統(tǒng)的位置反饋給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)位置精度的要求。
5. 輔助裝置
基體——是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分。機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件，驅(qū)動系統(tǒng)都安裝在基體上，它起支撐作用。
油箱——用來儲存油和供油的裝置，并使油散熱和雜質(zhì)沉淀。
氣缸——貯存壓縮空氣。
2.3 工業(yè)機(jī)械手的自由度和坐標(biāo)形式
2.3.1 工業(yè)機(jī)械手的自由度
機(jī)械手的運(yùn)動可分為整機(jī)運(yùn)動、本體運(yùn)動、臂部運(yùn)動、腕部運(yùn)動、每個運(yùn)動坐標(biāo)稱為自由度。
一個機(jī)械手有幾個運(yùn)動就叫有幾個自由度。手爪的抓取動作（指的是手爪的夾緊和松開）不計(jì)在自由度數(shù)目內(nèi)。
1．整機(jī)運(yùn)動
是指整個機(jī)械手作為一個整體運(yùn)動，如整機(jī)行走。
2．本體運(yùn)動
是指機(jī)械手的本體部分運(yùn)動，如本體橫向運(yùn)動（整個手臂沿Y坐標(biāo)軸的移動），可參看圖2-1。
3．臂部運(yùn)動
臂部一般有三個自由度，即臂部直線運(yùn)動、回轉(zhuǎn)運(yùn)動和上下擺動運(yùn)動。
4．腕部運(yùn)動
基本上有三個自由度，如圖2-2所示。繞X軸的運(yùn)動叫回轉(zhuǎn)運(yùn)動；繞Y軸轉(zhuǎn)動叫俯仰運(yùn)動；繞Z軸運(yùn)動叫左右擺動。
要確定抓區(qū)工件的空間點(diǎn)位及方位坐標(biāo)，有臂部三個自由度和腕部三個自由度就足夠了。
圖2-1 機(jī)械手自由度表示
圖2-2 機(jī)械手腕部運(yùn)動
2.3.2 機(jī)械手的幾種坐標(biāo)形式
直角坐標(biāo)式：
機(jī)械手的臂部可做前后、左右、升降三個移動，如圖2-3a所示。這種坐標(biāo)形式直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，但慣性較大，占用的空間也較大，一般多安裝在架空的梁上。
圓柱坐標(biāo)式：
見圖2-3b，它有二個移動（伸縮和升降）和一個轉(zhuǎn)動。這種坐標(biāo)直觀性較好，結(jié)構(gòu)簡單，所占空間較小，動作范圍較大，是應(yīng)用最多的一種。
球坐標(biāo)式：
見圖2-3c，它有一個移動（手臂伸縮）和兩個轉(zhuǎn)動（左右回轉(zhuǎn)和上下擺動）。這種坐標(biāo)形式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但慣性不大，本體所占的空間較小，動作范圍比圓柱坐標(biāo)式更大，在通用機(jī)械手中應(yīng)用較多。
多關(guān)節(jié)式：
見圖2-3d，它有三個轉(zhuǎn)動（左右旋轉(zhuǎn)、兩個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)）。這種坐標(biāo)形式運(yùn)動件的慣性較小，本體占空間不大，而動作范圍大，并且可以繞過障礙物抓區(qū)工件，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，位置精度難于控制，故應(yīng)用比較少。
圖2-3 機(jī)械手的坐標(biāo)形式
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹了，工業(yè)機(jī)械手的分類，組成以及自由的和坐標(biāo)形式。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)考慮具體情況，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行取舍，不應(yīng)該拘泥于形式。依據(jù)實(shí)際情況，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手，腕部不需做出復(fù)雜動作。故，腕部采用直接固定。
第3章 工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)
3.1 手部
機(jī)械手的手部是用來抓取并握緊工件的，它包括手爪和夾緊裝置兩部分。夾持工件的迅速、靈活、準(zhǔn)確和牢靠程度，直接影響到機(jī)械手的性能，是機(jī)械手的關(guān)鍵部件之一。
1．手部設(shè)計(jì)要求：
(1) 手部應(yīng)有足夠的夾緊力。除工件的重力外，還要能不使工件在傳遞過程中松動或脫落；
(2) 夾持范圍要與工件相適應(yīng)。手爪的開閉角度（手爪張開或閉合時的極限位置所擺動的角度）應(yīng)能適應(yīng)夾緊較大的直徑范圍；
(3) 夾持精度要高。既要求工件在手爪內(nèi)定位準(zhǔn)確，又不夾壞工件的表面。一般需根據(jù)工件的形狀選擇相應(yīng)的手爪結(jié)構(gòu)：如圓柱形工件應(yīng)采用帶V形槽的手爪來定位；對于工件表面光潔度要求較高的，應(yīng)在手爪上鑲銅、夾布膠木或其它軟質(zhì)墊片等；
(4) 夾持動作要迅速、靈活；
(5) 手部結(jié)構(gòu)要簡單緊湊、剛性好、自重輕、易磨損處應(yīng)該便于更換，在腕部或臂部上安裝要方便，更換要迅速。
2. 手部的結(jié)構(gòu)
手爪的類型大致分為下列三種：
(1) 夾持式手爪：根據(jù)手爪的動作可分為回轉(zhuǎn)型和平移型；根據(jù)手指的數(shù)量可分為雙指式和多指式；根據(jù)夾持工件的方法又可分為外卡式和內(nèi)脹式兩種。
(2) 吸附式手爪：分為真空吸盤式和電磁吸盤式兩種。真空吸盤式又可分為真空泵式和氣流負(fù)壓式。
(3) 帶視覺或觸覺的手爪。
根據(jù)所設(shè)計(jì)課題的要求，該機(jī)械手是用于生產(chǎn)線上下料的，其抓取的工件是外圓件，所以可以不考慮吸附式手爪和帶視覺或觸覺的手爪。所以重點(diǎn)在于夾持式手
依據(jù)本次設(shè)計(jì)實(shí)際情況，采用夾持式手爪。
3. 夾持式手爪的計(jì)算
(1) 夾緊力的計(jì)算
夾緊力
N=K1?K2?K3?G (3-1)
式中：
K1為安全系數(shù)一般1.2≈2;
K2為工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。K2可以近似，的按下式估算，K2=1+ag，其中a為被抓取工件的最大加速度，g為重力加速度約為9.8m/s2;
K3為方位系數(shù);
G被抓取工件重量
根據(jù)本次所設(shè)計(jì)的手抓結(jié)構(gòu)
K1=1.5
K2=1+ag=6
K3=0.52
所以 N=1.5×6×0.52×500=2.34KN
P計(jì)算=9.15KN
取σ=0.85
P實(shí)際=P計(jì)算σ=10.8KN （3-2）
P計(jì)算為夾緊缸計(jì)算壓力
P實(shí)際為夾緊缸實(shí)際壓力
σ為夾緊缸效率
(2) 確定油缸直徑D
因?yàn)?
P實(shí)際=π4D2-d2P （3-3）
選取活塞桿直徑d=0.47D，壓力有工作壓力294KN/cm2
所以
D=4P實(shí)際π?P（1-0.472）=60mm
根據(jù)油缸內(nèi)徑D=60mm
可知d=28.2mm
最后取油缸內(nèi)徑為63mm (GB/T2348-1993)
最后取活塞桿直徑為32mm (GB/T2348-1993)
(3) 油缸缸壁厚度
壁厚度計(jì)算公式
δ≥PD2δ （3-4）
D為液壓缸內(nèi)徑
P為液壓缸工作壓力
δ缸筒材料許用應(yīng)力， δ=δb/n
δb為材料的抗拉強(qiáng)度極限
n為安全系數(shù)一般取5
經(jīng)過計(jì)算得出
δ≥1.1
根據(jù)實(shí)際加工情況，設(shè)計(jì)壁厚為5mm可以滿足要求。
(4) 缸底厚度
缸底厚度計(jì)算公式
δ1≥0.433D2PδP (3-5) P為筒內(nèi)最大工作壓力
D2為計(jì)算厚度外徑
δP筒底材料許用應(yīng)力
經(jīng)計(jì)算得出
δ1≥2.2mm
缸底厚度取40mm足以滿足要求
3.2 臂部
臂部是機(jī)械手完成各項(xiàng)動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，也是其運(yùn)動部分的主體。
在上面分析了機(jī)械手的四種坐標(biāo)形式，綜合這四種坐標(biāo)形式運(yùn)動的目的，是想達(dá)到人的手臂的功能，但是目前技術(shù)還是做不到的，因而把運(yùn)動方式轉(zhuǎn)化為直線移動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這樣臂部的結(jié)構(gòu)也就比較簡單了。臂部和機(jī)座相連，可固定在地面上、機(jī)器上或懸掛在橫梁滑道上以及可行走的機(jī)架上。臂部前端連接腕部或直接連接手部。
臂部的作用在于將手爪移動到所需的位置和承受工件、手部和腕部的重量。所以，臂部的結(jié)構(gòu)性能、工作范圍、承載能力和動作位置精度直接影響機(jī)械手的工作性能。
1. 臂部一般有以下幾部分組成：
(1) 動作元件：如直線缸、回轉(zhuǎn)缸、齒輪齒條、連桿凸輪……等，它是驅(qū)動手臂運(yùn)動的元件。動作元件與驅(qū)動源相配合，就能實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動。
(2) 導(dǎo)向裝置：手臂在靜止?fàn)顟B(tài)，要承受由夾持工件重量所產(chǎn)生的彎曲力，以及由于載荷不平衡而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩。在運(yùn)動時又有一個慣性力，為保證手爪的正確位置和動作元件不受較大的彎曲力，手臂必須設(shè)置導(dǎo)向裝置。
(3) 臂：手臂上的動作元件、導(dǎo)向裝置和其他裝置都要安裝在臂上，起支承、連接和承受外力的作用。所以需要臂具有足夠的剛性，以免承重后發(fā)生形變產(chǎn)生顫動。
(4) 其他裝置：如管路、冷卻裝置、位置檢測機(jī)構(gòu)……等
2. 臂部設(shè)計(jì)要求：
臂部設(shè)計(jì)首先要求實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動，為了實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動，需要滿足下列幾項(xiàng)要求
(1) 臂部應(yīng)承載能力大、剛性好、自重輕
(2) 臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小機(jī)械手的運(yùn)動速度一般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定的。
(3) 臂部動作要靈活
要使手臂運(yùn)動輕快靈活，手臂的結(jié)構(gòu)必須緊湊小巧，或在運(yùn)動臂上加滾動軸承或采用滾珠導(dǎo)軌。對于懸臂式機(jī)械手手臂上零件的布置要合理，以減少回轉(zhuǎn)升降支撐中心的偏重力矩。不然，會引起手臂振動，嚴(yán)重時會使手臂與立柱卡住別壞。對于雙臂同時操作的機(jī)械手，應(yīng)使兩臂布置盡量對稱以達(dá)到平衡。
(4) 位置精度要高
手臂的剛性好，偏重小，慣性力小，則位置精度就容易控制，所以設(shè)計(jì)手臂時要周密考慮和計(jì)算，還要合理的選擇機(jī)械手的坐標(biāo)形式。一般來說，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高；關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最難控制，精度差；在手臂上加設(shè)定位裝置和自動檢測機(jī)構(gòu)，來控制手臂運(yùn)動的位置精度；還要減少或消除各傳動、嚙合件的間隙。
3. 臂部伸縮運(yùn)動結(jié)構(gòu)：
手臂的伸縮運(yùn)動是一種往復(fù)的直線運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)這種運(yùn)動可以采用往復(fù)直線液壓缸結(jié)構(gòu)、多級油缸結(jié)構(gòu)、滾珠絲杠結(jié)構(gòu)、直線缸和齒輪齒條傳動機(jī)構(gòu)等。
(1) 直線缸結(jié)構(gòu)
在機(jī)械手中，實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動采用直線缸結(jié)構(gòu)的最多。活塞桿的一端固定在中間架體上，油缸固定在滑枕上。當(dāng)壓力油經(jīng)油孔，分別進(jìn)入油缸的兩腔時，油缸體帶動滑枕在燕尾形導(dǎo)軌內(nèi)實(shí)現(xiàn)手臂的往復(fù)運(yùn)動，其行程大小靠擋塊和組合行程開關(guān)來調(diào)整，伸出端裝有可調(diào)式定位螺釘。
(2) 多級油缸結(jié)構(gòu)
這種油缸用在傳送機(jī)構(gòu)上較好，用在機(jī)械手上，其活塞桿的剛性不好，撓度大，影響位置精度。
(3) 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)
有的機(jī)械手用電機(jī)帶動滾珠絲杠，實(shí)現(xiàn)手臂的直線傳動。
滾珠絲杠與油缸驅(qū)動相比有下述優(yōu)點(diǎn)：
滾珠絲杠的摩擦損失小，一般其傳動效率在90%以上；滾珠絲杠靈敏性高，不易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，定位精度高；由于電機(jī)直接（或經(jīng)減速齒輪組）連接絲杠，絲杠直接傳動，故油缸剛性好；用于同樣的距離，滾珠絲杠占用空間更小。
滾珠絲杠的缺點(diǎn)是成本高，由于滾珠絲杠的傳動效率高，所以基本上沒有自鎖作用。
4. 臂部伸縮油缸的計(jì)算
(1) 確定缸內(nèi)徑
液壓缸的工作壓力為P=2.94Mpa
推力F=12000N
PAσcm=F (3-6)
σcm為液壓缸的機(jī)械效率，一般取σcm=0.95
A為液壓缸有效面積
由公式(3-6)可知
A=FPσcm
代入數(shù)值計(jì)算得出
A=43cm2
因?yàn)?
A=πD24 (3-7)
代入數(shù)值計(jì)算得出
D=74mm
因?yàn)閷ν邓俦扔幸?，所?
φ=d2D2-d2 （3-8）
φ為往返速比，取1.4
則，由此計(jì)算可知
d=39.6mm
則D為80mm （GB/T2348-1993）
d為40mm （GB/T2348-1993）
(2) 缸筒壁厚計(jì)算
δ≥PD2δ
帶入數(shù)值計(jì)算得
δ≥1.4mm
缸筒壁厚取8mm足以滿足要求
(3) 活塞桿強(qiáng)度的校核
d≥4Fπ［δ］ （3-9）
代入數(shù)值計(jì)算得出
d≥8.53mm
所以強(qiáng)度滿足要求
(4) 缸底厚度
δ1≥0.433D2PδP
代入數(shù)值計(jì)算得出
δ1≥2.17mm
所以取40mm滿足要求
3.3 手部升降部分
一般圓柱坐標(biāo)式，直角坐標(biāo)式有升降運(yùn)動，球坐標(biāo)式有時為了增加提高高度，也有升降運(yùn)動。由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手采用的直角坐標(biāo)式，所以，手臂的升降運(yùn)動是必不可少的。由于本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手負(fù)載較大，所以升降部分采用，剪叉式升降平臺。
1. 剪叉式升降平臺的分類
圖3-1 機(jī)械手的坐標(biāo)形式
圖中表示氣液動剪叉式升降平臺的三種結(jié)構(gòu)形式。長度相等的兩根支撐桿AB和MN鉸接于二桿的中點(diǎn)E，兩桿的M、A端分別鉸接于平板和機(jī)架上，兩桿的B、N端分別與兩滾輪鉸接，并可在上平板和機(jī)架上的導(dǎo)向槽內(nèi)滾動。圖中的三種結(jié)構(gòu)形式的不同之處在于驅(qū)動件液壓缸的安裝位置不同。
圖3-1a中的驅(qū)動液壓缸的下不固定在機(jī)架上，上部的活塞桿以球頭與上平板球窩接觸。液壓缸通過活塞桿使上平板鉛直升降。
圖3-1b中的臥式液壓缸活塞桿與支撐桿MN鉸接于N處。液壓缸驅(qū)動活塞桿控制平臺鉛直升降。
圖3-1c中的液壓缸缸體尾部與機(jī)架鉸接于G處，活塞桿頭部與支撐桿AB鉸接于F處。液壓缸驅(qū)動活塞桿可控制平臺鉛直升降。
按照液壓缸的安裝形式，稱圖a的形式為直立固定剪叉式結(jié)構(gòu)，圖b的形式為水平固定剪叉式，圖c的形式為雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)。
直立固定剪叉式結(jié)構(gòu)，液壓缸的行程等于平臺的升降行程，整體結(jié)構(gòu)尺寸龐大，且球鉸鏈加工負(fù)載，在實(shí)際種應(yīng)用較少。
水平固定剪叉式機(jī)構(gòu)，通過分析計(jì)算可知，平臺的升降行程大于液壓缸的行程，在應(yīng)用過程中可以實(shí)現(xiàn)快速控制升降的目的，但不足之處是活塞桿受到橫向力的作用，影響密封件的使用壽命。而且活塞桿所承受的載荷力要比實(shí)際平臺上的載荷力要大的多。所以實(shí)際也很少采用。
雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)避免了上述缺點(diǎn)。結(jié)構(gòu)比較合理，平臺的升降行程可以達(dá)到液壓缸行程的二倍以上。因此，在工程實(shí)際中逐漸得到廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)就重點(diǎn)對雙鉸接剪叉式結(jié)構(gòu)形式加以分析、論述。
2．雙鉸接剪叉式升降平臺機(jī)構(gòu)的位置參數(shù)計(jì)算
圖3-2 位置參數(shù)示意圖
由圖3-2可知
H=CLsinβl （3-10）
cosβ=（T2+C2-l2）2TC （3-11）
H為任意位置時升降平臺的高度
C為任意位置時鉸接點(diǎn)F到液壓鉸接點(diǎn)G的距離
L為支撐桿的長度
l為支撐桿固定鉸支點(diǎn)A到鉸接點(diǎn)F的距離
T為機(jī)架長度（A到G的距離）
β為活塞桿與水平線的夾角
以下相同
將公式整理得出
HC=Lll-（T2+C2-l22TC）2 （3-12）
設(shè)λ=C/C0，θ=H/H0得出
θH0λC0=Lll-[T2+（λC0）2-l22TλC0] （3-13）
H0為升降平臺的初始高度
C0為液壓缸初始長度
3．雙鉸接剪叉式升降平臺機(jī)構(gòu)的運(yùn)動參數(shù)計(jì)算
圖3-2 運(yùn)動參數(shù)示意圖
由圖3-2可知
VF=ω1l （3-14）
V1=ω1lsinα+β （3-15）
VB=V1Llsin（α+β） （3-16）
V2=V1Lcosαlsin（α+β） （3-17）
V2V1=Lcosαlsin（α+β） （3-18）
V1為液壓缸活塞平均相對運(yùn)動速度
V2為升降平臺升降速度
α為支撐桿與水平線的夾角
VF是F點(diǎn)的絕對速度
VB是B點(diǎn)絕對速度
ω1是AB支撐桿的速度
4．雙鉸接剪叉式升降平臺機(jī)構(gòu)的動力參數(shù)計(jì)算
圖3-3 動力參數(shù)示意圖
通過分析機(jī)構(gòu)受力情況并進(jìn)行計(jì)算（過程省略）得出
PQ=Lcosαlsin(α+β) （3-19）
P液壓缸作用于活塞桿的推力
Q升降平臺所承受的重力載荷
5．剪叉式升降平臺機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)注意的問題
當(dāng)、增大時值隨之減?。划?dāng)、減小時，P/Q值隨之增大。在確定整體結(jié)構(gòu)值隨之減小；當(dāng)、 減小時，P/Q值隨之增大，在液壓缸行程不變的情況下，升降平臺升降行程會減小；反之，則會使液壓缸行程受力增大。因此設(shè)計(jì)時應(yīng)綜合考慮升降行程與液壓缸受力兩個因素。在滿足升降行程及整體結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，選取較高的 、 初始值。而且在整個機(jī)構(gòu)中AB支撐桿是主要受力桿件，承受有最大的彎矩，所以應(yīng)重點(diǎn)對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。
液壓缸可采用單作用缸也可以采用雙作用缸，不過要看具體情況。一般我們都采用單作用柱塞缸，因?yàn)椴捎眠@樣的缸比較經(jīng)濟(jì)，而且總體泄漏量少，密封件壽命長。采用單作用柱塞缸時考慮到在空載荷時，上平板的自重應(yīng)能克服液壓缸活塞與缸體間的密封阻力。否則，會導(dǎo)致升降平臺降不下來。
6．雙鉸接剪叉式升降平臺液壓缸的計(jì)算
(1) 確定缸內(nèi)徑
液壓缸的工作壓力為P=2.94Mpa
推力F=12000N
PAσcm=F
σcm為液壓缸的機(jī)械效率，一般取σcm=0.95
A為液壓缸有效面積
由公式(3-6)可知
A=FPσcm
代入數(shù)值計(jì)算得出
A=43cm2
因?yàn)?
A=πD24
代入數(shù)值計(jì)算得出
D=74mm
因?yàn)閷ν邓俦扔幸螅?
φ=d2D2-d2
φ為往返速比，取1.4
則，由此計(jì)算可知
d=39.6mm
則D為80mm （GB/T2348-1993）
d為40mm （GB/T2348-1993）
(2) 缸筒壁厚計(jì)算
δ≥PD2δ
帶入數(shù)值計(jì)算得
δ≥1.4mm
考慮到升降缸所承受載荷較大，故壁厚可以適度加厚，缸筒壁厚取10mm足以滿足要求
(3) 活塞桿強(qiáng)度的校核
d≥4Fπ［δ］
代入數(shù)值計(jì)算得出
d≥8.53mm
所以強(qiáng)度滿足要求
(4) 缸底厚度
δ1≥0.433D2PδP
代入數(shù)值計(jì)算得出
δ1≥2.17mm
所以取40mm滿足要求
7．臺板的設(shè)計(jì)計(jì)算
臺板位于升降臺的最上部，是支撐件的組成部分。需要說明的是臺板并不是一個簡單的鋼板，而是在下面有滑道，因?yàn)樯蹬_叉桿臂上有滑輪，滑道的作用就是使滑輪在滑道內(nèi)來回滑動，使升降臺完成舉升和回落動作。下底板也如此，如圖3-4。
圖3-4 臺板示意圖
叉桿是升降臺最主要的舉升部件，是主要的受力機(jī)構(gòu)。對其設(shè)計(jì)的成功與否關(guān)系到整個設(shè)計(jì)工作的成敗，選材45號鋼，熱軋鋼板。叉桿的外形圖如圖3-5所示。
圖3-5 叉桿示意圖
8．叉桿的設(shè)計(jì)計(jì)算
首先定義每根桿的名稱編號，如圖3-6：
圖3-6 叉桿編號示意圖
對于桿3、桿4的活動鉸聯(lián)接在水平方向上除了摩擦力沒有其它外力，所以可以忽略不計(jì)，現(xiàn)在只考慮其豎直方向上的受力就可以了。經(jīng)過分析桿3的受力情況如圖3-7：
圖3-7叉桿受力示意圖
計(jì)算其最大彎矩及軸向力：
經(jīng)力學(xué)分析，當(dāng)升降臺處于最低位置，時，所受彎矩最大，如圖3-8。
圖3-8叉桿彎矩示意圖
當(dāng)升降臺處于最高位置，時，軸向力最大，如圖3-9
圖3-9叉桿受力示意圖
，（正值為拉力，負(fù)值為壓力）。
桿4受力情況同桿3。
下面再分析一下桿1,對桿1作受力分析，如圖3-10
圖3-10叉桿彎矩示意圖
對D點(diǎn)做力矩分析：
可得 = -110.1N。
計(jì)算彎矩，由上圖可轉(zhuǎn)化成圖3-11來分析：
圖3-11叉桿彎矩轉(zhuǎn)換示意圖
根據(jù)以上條件畫彎矩圖，如圖3-12下：
圖3-12叉桿彎矩轉(zhuǎn)換示意圖
由此圖可知，桿1的最大彎矩在C點(diǎn)。經(jīng)計(jì)算當(dāng)時，有最大值，即擁有最大彎矩，同樣此時也擁有最大的軸向力。首先將，W=9800N，P=11.6W（P與W的關(guān)系值根據(jù)上述的公式求得）代入以上各式，求得的值如圖3-13：
圖3-13叉桿彎矩計(jì)算示意圖
則。
計(jì)算軸向力，同樣將桿1的受力分析圖再轉(zhuǎn)化為軸向力圖分析，如圖3-14：
圖3-14軸向力示意圖
經(jīng)分析計(jì)算，CD段受到的軸向壓縮力最大，。由于剛剛計(jì)算出的桿3與桿4的最大彎矩和最大軸向力都小于桿1的值，故不對桿3桿4計(jì)算工作應(yīng)力。計(jì)算桿1該狀態(tài)下的工作應(yīng)力，設(shè)叉桿橫截面積A=bh,如圖3-15：
圖3-15力分析示意圖
則該狀態(tài)下的工作應(yīng)力為
其中， ——叉桿實(shí)際工作應(yīng)力,
——材料許用應(yīng)力，
——材料的極限應(yīng)力，對于45號鋼，為340Mpa
n——安全系數(shù),一般為大于1的值，這里取n=2。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初選h=0.1m。
由此式可以看出彎矩對工作應(yīng)力的影響較軸向力要顯著的多，所以在計(jì)算時應(yīng)以最大彎矩為主要計(jì)算對象。桿1所承受的最大工作應(yīng)力。桿1的C截面擁有最大彎矩，即可以認(rèn)為C截面擁有最大的工作應(yīng)力。我們按照最大工作應(yīng)力來選取合適的叉桿截面。將h=0.1m代入上式：
最大工作應(yīng)力。這里取，即叉桿的橫截面為10025。
選取套聯(lián)在活塞桿端部的橫軸，根據(jù)總體結(jié)構(gòu)布局確定橫軸長度需要220mm，由于是單耳環(huán)聯(lián)接，其內(nèi)徑CD=50，橫軸的外徑也應(yīng)為50mm,但考慮到二者需要相對滑動，應(yīng)使橫軸的外徑略小于50mm,這里d=48mm。單耳環(huán)的寬度值EW=60mm。將叉桿要聯(lián)接到橫軸處的孔進(jìn)行加長處理，使兩者接觸面積適當(dāng)?shù)脑龃笠詼p小彎曲應(yīng)力及及剪應(yīng)力。因此可按圖3-16分析橫軸所受應(yīng)力：
圖3-15力分析示意圖
對于其它幾個銷軸，由于所受的應(yīng)力都小于上述值，在不改變材料的基礎(chǔ)上選擇直徑各為35mm、40mm是完全可以的，這里就不一一校核了。
3.4 本章小結(jié)
本章內(nèi)容主要包括機(jī)械手每一部分的具體設(shè)計(jì)方法，以及剪叉式液壓升降平臺的簡介和設(shè)計(jì)。在具體設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮實(shí)際情況，不應(yīng)該拘泥于數(shù)據(jù)形式，應(yīng)從實(shí)際生產(chǎn)方便出發(fā)。
第4章 機(jī)械手總體方案的總結(jié)
4.1 機(jī)械手的動作和規(guī)格參數(shù)
由于本次設(shè)計(jì)的是熱處理上下料機(jī)械手。所以，機(jī)械手動作分為：
夾取—上升—進(jìn)爐—松開—出爐—進(jìn)爐—夾取—出爐—松開
經(jīng)過上面章節(jié)的設(shè)計(jì)計(jì)算，本機(jī)械手的主要部件的相關(guān)參數(shù)已經(jīng)得出。其余輔助部件尺寸，主要根據(jù)應(yīng)用地點(diǎn)的條件來設(shè)計(jì)，在保證正常使用和安全性的前提下，盡量節(jié)約成本。
詳盡規(guī)格參數(shù)可見設(shè)計(jì)圖紙。
4.2 本機(jī)械手的特點(diǎn)
本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手與一般機(jī)械手的最大區(qū)別在于，升降部分采用剪叉式液壓升降平臺設(shè)計(jì)。升降過程中更加平穩(wěn)，下降到最低位置時，占用的空間較小，同時上升過程所需的能量較少，相同狀態(tài)下，所能承受的負(fù)載更大。手臂部分采用簡潔設(shè)計(jì)，在完成動作的同時節(jié)約生產(chǎn)成本。
4.3 本章小結(jié)
本章主要內(nèi)容包括對本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的總體說明，介紹了設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，以及機(jī)械手動作的說明。
千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。“結(jié)論”以前的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。
結(jié)論
1．本次設(shè)計(jì)的是液動上下料機(jī)械手，相對于通用機(jī)械手，專用機(jī)械手的自由度不變，控制程序簡單，因此實(shí)用性更強(qiáng)。?
2．采用液壓傳動，動作迅速，反應(yīng)靈敏，能實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)，便于自動控制。工作環(huán)境適應(yīng)性好，不會因環(huán)境變化影響傳動及控制性能。存在一定阻力損失和泄漏，對環(huán)境有一定的污染，但是成本低廉。?
3．通過對液壓傳動系統(tǒng)工作原理圖的參數(shù)化繪制，大大提高了繪圖速度，節(jié)省了大量時間和避免了不必要的重復(fù)勞動，同時做到了圖紙的統(tǒng)一規(guī)范。
4．機(jī)械手采用PLC控制，具有可靠性高、改變程序靈活等優(yōu)點(diǎn)，無論是進(jìn)行時間控制還是行程控制或混合控制，都可通過設(shè)定PLC程序來實(shí)現(xiàn)。可以根據(jù)?機(jī)械手的動作順序修改程序，使機(jī)械手的實(shí)用性更強(qiáng)。
致謝
經(jīng)過了四個多月緊張而忙碌的畢業(yè)設(shè)計(jì)，已經(jīng)接近尾聲。在老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)的熱心幫助下，我終于完成了此次設(shè)計(jì)。前三年對基礎(chǔ)課和專業(yè)課的學(xué)習(xí)，使我掌握了有關(guān)的專業(yè)知識，培養(yǎng)了我獨(dú)立的學(xué)習(xí)和思維方式。而本次的設(shè)計(jì)，使我將大學(xué)四年所學(xué)的知識做了系統(tǒng)的總結(jié)和復(fù)習(xí)，并在這次的設(shè)計(jì)中得到了相當(dāng)?shù)膽?yīng)用。這次設(shè)計(jì)比以前的課程設(shè)計(jì)等都要全面和系統(tǒng)，是對大學(xué)學(xué)習(xí)的一次全面的檢查。
我這次設(shè)計(jì)的是自動上下料機(jī)械手。為了圓滿的完成設(shè)計(jì)，我查閱了機(jī)械手的一些資料，訪問了國內(nèi)外的機(jī)械手網(wǎng)站，對當(dāng)今國內(nèi)外的機(jī)械手有了一些了解。對機(jī)械手的工作原理等有了比較清晰的認(rèn)識。
由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足，所學(xué)有限，雖然我已盡了最大努力，但是仍然有很多的問題存在，有待以后進(jìn)一步解決。
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8 袁承訓(xùn)，張寶海等．液壓與氣壓傳動．機(jī)械工業(yè)出版社，2010.7：
9 濮良貴，紀(jì)名剛等．機(jī)械設(shè)計(jì)．高等教育出版社，2006.5：
10 孫恒，陳作模等．機(jī)械原理．高等教育出版社，2006.5
11 K.Iwata, K.Osakada, Y.Terasaka. Process modeling of orthogonal cutting by the rigid-plastic finiteelement method, J.Eng.Mater.Technol.106，1984：
12 Z.C.Lin, S.Y.Lin. Acoupled finite element model of thermo-elastic-plastic laige deformation for orthogonal cutting，J.Eng.Mater．Technol.114，1992：
附錄
About Modenr Industrial Manipulayor
Robot is a type of mechantronics equipment which synthesizes the last research achievement of engine and precision engine, micro-electronics and computer, automation control and drive, sensor and message dispose and artificial intelligence and so on. With the development of economic and the demand for automation control, robot technology is developed quickly and all types of the robots products are come into being. The practicality use of robot not only solves the problems which are difficult to operate for human being, but also advances the industrial automation program. Modern industrial robots are true marvels of engineering. A robot the size of a person can easily carry a load over one hundred pounds and move it very quickly with a repeatability of 0.006inches. Furthermore these robots can do that 24hours a day for years on end with no failures whatsoever. Though they are reprogrammable, in many applications they are programmed once and then repeat that exact same task for years.
At present, the research and development of robot involves several kinds of technology and the robot system configuration is so complex that the cost at large is high which to a certain extent limit the robot abroad use. To development economic practicality and high reliability robot system will be value to robot social application and economy development. With he rapid progress with the control economy and expanding of the modern cities, the let of sewage is increasing quickly; with the development of modern technology and the enhancement of consciousness about environment reserve, more and more people realized the importance and urgent of sewage disposal. Active bacteria method is an effective technique for sewage disposal. The abundance requirement for lacunaris plastic makes it is a consequent for plastic producing with automation and high productivity. Therefore, it is very necessary to design a manipulator that can automatically fulfill the plastic holding. With the analysis of the problems in the design of the plastic
holding manipulator and synthesizing the robot research and development condition in recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration, transform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of mechanical configuration, electronic, software and hardware. In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate which can improve the stability and operation flexibility of the system. The main function of the transmission mecha