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長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
編號(hào)
本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
球坐標(biāo)機(jī)械手
Spherical Coordinates Manipulator
學(xué) 生 姓 名
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 號(hào)
指 導(dǎo) 教 師
分 院
機(jī)電工程分院
2012年6月
31
摘 要
機(jī)械手與機(jī)械人是二十世紀(jì)五十年代以后,伴隨著電子技術(shù)特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,而迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。它綜合應(yīng)用了機(jī)械、電子、自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)以及物理，生物等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。它不僅在工業(yè)生產(chǎn)上，而且對(duì)宇宙開發(fā)，海洋開發(fā)，軍事工程和生物醫(yī)學(xué)等方面都起著推動(dòng)的作用，因而日益受到世界許多國家政府，學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)和科學(xué)技術(shù)人員的重視，毫無疑問，這門技術(shù)將具有廣闊的發(fā)展前景。
在生產(chǎn)現(xiàn)代化領(lǐng)域里，材料的搬運(yùn)，機(jī)床的上下料，整機(jī)的裝配等是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。在機(jī)械工業(yè)部門，這些工序的費(fèi)用占全部加工費(fèi)用三分之二以上，而且絕大多數(shù)的事故發(fā)生在這些工序，自動(dòng)上下料裝置和工業(yè)機(jī)械手就是為實(shí)現(xiàn)這些工序的自動(dòng)化而采用的。
通用機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用只有二十來年的歷史，這種裝置在國外得到相當(dāng)重視，到七十年代，其品種和數(shù)量都有很大的發(fā)展，并且研制了具有各種感覺器官的機(jī)器人。
關(guān)鍵字：機(jī)械手 液壓缸 PLC 自由度 控制閥
Abstract
Machinery and mechanical hand is the 20th century after the 1950s, accompanied by electronic technology, especially the extensive application of computers and the rapid development of a new and emerging technologies. It comprehensive application of the machinery, electronics, automatic control, and other advanced technology, and physics, biology and other disciplines of basic knowledge of mechanization and automation to achieve the organic integration. It is not only in industrial production, but also the development of the universe, ocean development, military engineering and biomedical and other aspects of the role of promoting the play, thus increasing by many countries in the world government, academic team and the importance of science and technology, there is no doubt that This portal technology will have broad prospects for development.
In the field of modern production, material handling, machine tools expected from top to bottom with two of the assembly is a weak link. In the industrial machinery sector, these processes of the total cost of processing more than two thirds of the cost, but the majority of the accidents occurred in these processes, automatic device from top to bottom and industrial machinery is in hand to achieve the automation of these processes used.
Universal Manipulator in the industrial production of only 20 coming year history of such devices in foreign countries have attached considerable importance to the 1970s, has great variety and quantity of development and has developed a variety of sensory organ of the so-called machine People.
Keyword: manipulator hydraulic cylinder PLC freedom control valve
目 錄
摘 要 I
Abstract II
目 錄 III
1 緒論 1
1.1 機(jī)械手的概述 1
1.2 機(jī)械手的組成與分類 1
1.2.1 機(jī)械手的組成 1
1.2.2 機(jī)械手的分類 2
1.3 機(jī)械手的應(yīng)用簡況、應(yīng)用意義及發(fā)展趨勢 3
1.3.1 機(jī)械手發(fā)展概況 3
1.3.2 機(jī)械手的組成 4
1.3.3 上下料機(jī)械手的使用必要性 5
1.4 機(jī)械手在生產(chǎn)中的作用 5
2 總體方案分析 7
2.1 總體方案分析 7
2.2 方案的確定 7
2.3 動(dòng)作原理 7
2.4 工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 8
2.4.1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) 8
2.4.2 工業(yè)機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù) 8
3 手部的設(shè)計(jì) 9
3.1 手部結(jié)構(gòu) 9
3.2 手爪的計(jì)算與分析 10
3.2.1 手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計(jì)算 10
3.2.2 手爪的夾持誤差分析與計(jì)算 11
4 腕部的設(shè)計(jì) 11
4.1 腕部結(jié)構(gòu) 11
4.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 11
5 手臂的設(shè)計(jì) 14
5.1 手臂伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 14
5.1.1 手臂作水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 14
5.1.2 手臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 14
5.1.3 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 15
5.1.4 活塞桿的計(jì)算 16
5.1.5 液壓缸端蓋的聯(lián)接方式與強(qiáng)度計(jì)算 17
5.2 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
5.2.1 手臂俯仰時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 19
5.2.2 缸蓋聯(lián)接螺釘計(jì)算和動(dòng)片聯(lián)接螺釘計(jì)算 20
機(jī)身設(shè)計(jì) 21
6.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)的計(jì)算 21
6.2 機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng) 23
7 機(jī)械手液壓系統(tǒng)工作原理 23
7.1 能量轉(zhuǎn)化簡圖 23
7.2 液壓系統(tǒng)的組成 24
7.3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手的特點(diǎn) 24
7.4 油缸泄漏問題與密封裝置 25
7.4.1 活塞式油缸的泄漏與密封 25
7.4.2 回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封 25
7.5 液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定 26
7.5.1 各液壓缸的換向回路 26
7.5.2 調(diào)速方案 26
7.5.3 減速緩沖回路 27
7.5.4 系統(tǒng)安全可靠性 27
結(jié) 論 30
致 謝 31
參考文獻(xiàn) 32
1 緒論
1.1 機(jī)械手的概述
工業(yè)機(jī)械手（以下簡稱機(jī)械手）是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，作為多學(xué)科融合的邊沿學(xué)科，它是當(dāng)今高技術(shù)發(fā)展最快的領(lǐng)域之一，并已成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。
所謂工業(yè)機(jī)械手就是一種能按給定的程序或要求自動(dòng)完成物件（如材料、工件、零件或工具等）傳送或操作作業(yè)的機(jī)械裝置，它能部分地代替人的手工勞動(dòng)。較高級(jí)型式的機(jī)械手，還能模擬人的手臂動(dòng)作，完成較復(fù)雜的作業(yè)。
由于機(jī)械手科學(xué)的發(fā)展十分迅速，世界上對(duì)機(jī)械手還沒有一個(gè)明晰，統(tǒng)一的定義。
國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）對(duì)機(jī)械手做了如下定義：機(jī)械手是一種可以反復(fù)編程和多功能的用來搬運(yùn)材料、零件、工具的操作機(jī)或是為了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變和可編程的動(dòng)作的專門系統(tǒng)（A reprogrammable and multifunctional manipulator, devised forthe transports of masteries, parts, tools or specialized Systems, with varied and programmed movements, with the aim of carrying out varied tasks）。
隨著我國工業(yè)機(jī)械手技術(shù)的不斷發(fā)展，很多專家也建議建立自己的機(jī)械手定義，我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12643-90 也將工業(yè)機(jī)械手定義為“一種能自動(dòng)定位控制，可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。它能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用于完成各種任務(wù)作業(yè)”。
1.2 機(jī)械手的組成與分類
1.2.1 機(jī)械手的組成
工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成，各部關(guān)系如圖1所示：
圖1工業(yè)機(jī)械手組成框圖
機(jī)械手大致可分為手部、傳送機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)部分、控制部分以及其它部分。
(1) 手部（或稱抓取機(jī)構(gòu)）包括手指、傳力機(jī)構(gòu)等，主要起抓取和放置物件的作用；
(2) 傳送機(jī)構(gòu)（或稱臂部） 包括手腕、手臂等，主要起改變物件方向和位置的作用；
(3) 驅(qū)動(dòng)部分 它是驅(qū)動(dòng)前兩部分的動(dòng)力，因此也稱動(dòng)力源，常用的有液壓、氣壓、電力和機(jī)械式驅(qū)動(dòng)四種形式；
(4) 控制部分 它是機(jī)械手動(dòng)作的指揮系統(tǒng)，由它來控制動(dòng)作的順序(程序)、位置和時(shí)間(甚至速度與加速度)等；
(5) 其它部分 如機(jī)體、行走機(jī)構(gòu)、行程檢測裝置和傳感裝置等。
1.2.2 機(jī)械手的分類
機(jī)械手從使用范圍、運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式、驅(qū)動(dòng)方式以及臂力大小四個(gè)方面的分類分別為：
(1) 按機(jī)械手的使用范圍分類：
①專用機(jī)械手
一般只有固定的程序，而無單獨(dú)的控制系統(tǒng)。它從屬于某種機(jī)器或生產(chǎn)線用以自動(dòng)傳送物件或操作某一工具，例如“毛坯上下料機(jī)械手”、“曲拐自動(dòng)車床機(jī)械手”、“油泵凸輪軸自動(dòng)線機(jī)械手”等等。這種機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡單，成本較低，適用于動(dòng)作比較簡單的大批量生產(chǎn)的場合。
②通用機(jī)械手（也稱工業(yè)機(jī)器人）
指具有可變程序和單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的控制系統(tǒng)，不從屬于某種機(jī)器，而且能自動(dòng)
生成傳送物件或操作某些工具的機(jī)械裝置。通用機(jī)械手按其定位和控制方式的不同，可分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只是點(diǎn)位控制，故屬于程序控制類型，伺服型可以是點(diǎn)位控制，也可以是連續(xù)軌跡控制，一般屬于數(shù)字控制類型。這種機(jī)械手由于手指可更換(或可調(diào)節(jié))，程序可變，故適用于中、小批生產(chǎn)。但因其運(yùn)動(dòng)較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，技術(shù)條件要求較高，故制造成本一般也較高。
(2) 按機(jī)械手臂部的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)型式分類：
①直角坐標(biāo)式機(jī)械手
臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X、Y、Z三個(gè)方向移動(dòng)，亦即臂部可以前后伸縮(定為沿X 方向的移動(dòng))、左右移動(dòng)(定為沿Y方向的移動(dòng))和上下升降(定為沿Z方向的移動(dòng))；
②圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手
手臂可以沿直角坐標(biāo)軸的X和Z方向移動(dòng)，又可繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)(定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))，亦即臂部可以前后伸縮、上下升降和左右轉(zhuǎn)動(dòng)；
③球坐標(biāo)式機(jī)械手
臂部可以沿直角坐標(biāo)軸X方向移動(dòng)，還可以繞Y軸和Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)，亦即手臂可以前后伸縮(沿X方向移動(dòng))、上下擺動(dòng)(定為繞Y軸擺動(dòng))和左右轉(zhuǎn)動(dòng)(仍定為繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng))；
④多關(guān)節(jié)式機(jī)械手
這種機(jī)械手的臂部可分為小臂和大臂。其小臂和大臂的連接(肘部)以及大臂和機(jī)體的連接(肩部)均為關(guān)節(jié)(鉸鏈)式連接，亦即小臂對(duì)大臂可繞肘部上下擺動(dòng)，大臂可繞肩部擺動(dòng)多角，手臂還可以左右轉(zhuǎn)動(dòng)。
(3) 按機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式分類：
①液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以壓力油進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
②氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
③電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手直接用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；
④機(jī)械驅(qū)動(dòng)機(jī)械手是將主機(jī)的動(dòng)力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動(dòng)方式。
(4) 按機(jī)械手的臂力大小分類：
①微型機(jī)械手 臂力小于1kg；
②小型機(jī)械手 臂力為1—10kg；
③中型機(jī)械手 臂力為10—30kg；
④大型機(jī)械手 臂力大于30kg。
1.3 機(jī)械手的應(yīng)用簡況、應(yīng)用意義及發(fā)展趨勢
1.3.1 機(jī)械手發(fā)展概況
機(jī)械手是在自動(dòng)化、自動(dòng)化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)，特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展，使得機(jī)械手能更好地實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合。
機(jī)械手是一種模仿人手部的動(dòng)作，按照預(yù)先設(shè)定的程序、軌跡和其他要求，實(shí)現(xiàn)抓取、搬運(yùn)工件和操縱工具的自動(dòng)化裝置。
機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量臂人手大等特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛的得到應(yīng)用。
1.3.2 機(jī)械手的組成
機(jī)械手的形式是多種多樣的，有的較為簡單，有的較為復(fù)雜，但基本的組成形式是相同的。一般機(jī)械手由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輔助裝置組成。
機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由手、手腕、手臂、支座組成。手是抓取機(jī)構(gòu)，用來夾緊或是松開工件，與人的手指相仿，能完成人手的類似動(dòng)作。手腕是連接手指和手臂的元件，可以進(jìn)行上下、左右和回轉(zhuǎn)動(dòng)作。簡單的機(jī)械手可以沒有手腕，而只有手臂，手臂的動(dòng)作和手腕相類似，只是動(dòng)作范圍更大，可以前后伸縮，上下升降和左右擺動(dòng)等。支柱用來支撐手臂，它是固定的，也可以根據(jù)需要做成移動(dòng)的。
執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要有傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。常用的機(jī)械手傳動(dòng)系統(tǒng)分機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電力傳動(dòng)等幾種形式。
控制系統(tǒng)的主要作用是控制機(jī)械手按一定的程序、方向、位置、速度進(jìn)行動(dòng)作。簡單的機(jī)械手一般不設(shè)置專用的控制系統(tǒng)，只采用行程開關(guān)、繼電器、控制閥及電路便可實(shí)現(xiàn)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求進(jìn)行動(dòng)作。動(dòng)作復(fù)雜的機(jī)械手則要采用可編程控制器、微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。
簡單的組成和分類以及適用范圍如下：
(1) 工業(yè)機(jī)械手的組成：
執(zhí)行系統(tǒng)的組成：手部、腕部、機(jī)身、行走機(jī)構(gòu)。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成：各種電氣、液壓元件。
控制系統(tǒng)的組成：位置檢測器、記憶存儲(chǔ)器。
(2) 工業(yè)機(jī)械手的分類：
液壓式：操作力大，動(dòng)作平穩(wěn)，其缺點(diǎn)是泄油會(huì)影響系統(tǒng)的工作性能，油的粘度對(duì)溫度的變化敏感。
氣動(dòng)式：氣源方便，維護(hù)簡單，易于獲得高速度，其缺點(diǎn)是操作力有限，體積大?？諝鈮嚎s性大,速度控制困難,動(dòng)作不平穩(wěn),控制有滯后現(xiàn)象。
電動(dòng)式：動(dòng)力源方便，操作力度大。其缺點(diǎn)是需要設(shè)置減速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，或用特殊電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
機(jī)械式：一般借助主機(jī)動(dòng)力源，通過凸輪，連桿機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，變換程序較困難，結(jié)構(gòu)龐大。
(3) 工業(yè)機(jī)械手按適用范圍分：
專業(yè)機(jī)械手：一般指附屬于某一設(shè)備的，動(dòng)作程序固定的，沒有獨(dú)立的控制系統(tǒng)的搬運(yùn)裝置。
通用機(jī)械手：一般指動(dòng)作程序可變的，具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的自動(dòng)化裝置。
(4) 工業(yè)機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式分：
點(diǎn)位控制：機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間兩點(diǎn)間的聯(lián)線，只要求準(zhǔn)確控制部件的移動(dòng)起始位置或有限的設(shè)定點(diǎn)位置，不要求控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。
連續(xù)軌跡控制：機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡是空間連續(xù)曲線，其設(shè)定點(diǎn)是無限的能在三維空間中作任意復(fù)雜的動(dòng)作。
1.3.3 上下料機(jī)械手的使用必要性
在現(xiàn)代的機(jī)械加工中，消耗于上下料的時(shí)間損失是組成零件單件加工時(shí)間的一部分，它屬于輔助時(shí)間，我們知道要想提高生產(chǎn)率，減少生產(chǎn)中的輔助時(shí)間，將是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。而要想減少輔助時(shí)間必須實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化，自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)就是為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)中上下料工序而設(shè)計(jì)的一種專用機(jī)構(gòu)。
自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)中供散亂的中、小型工件毛坯，經(jīng)過定向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)定向排列，然后順序的由上下料機(jī)構(gòu)送到機(jī)床或工作地點(diǎn)去。這在自動(dòng)化成批大量的生產(chǎn)中顯然是實(shí)用的，它不但可把操作人員從復(fù)雜而繁重的勞動(dòng)中解脫出來，而且對(duì)保證安全生產(chǎn)也是一種行之有效的方法。
工業(yè)機(jī)械手在二十世紀(jì)五十年代就已用于生產(chǎn)。它是在自動(dòng)上下料的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種機(jī)械裝置。開始主要用來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料和搬運(yùn)工件，完成單機(jī)自動(dòng)化和生產(chǎn)線自動(dòng)化。隨著應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，現(xiàn)已用來操持工具和完成一定的作業(yè)。實(shí)踐證明：使用自動(dòng)上下料的機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(dòng)，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，還具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量臂人手大等特點(diǎn)。因此，自動(dòng)上下料機(jī)械手已得到越來越廣泛的得到應(yīng)用。
1.4 機(jī)械手在生產(chǎn)中的作用
機(jī)械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用極為廣泛，可以歸納為以下一些方面。
(1) 旋轉(zhuǎn)休零件（軸類、盤類、環(huán)類）自動(dòng)線
一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳送工件。加工箱體類零件的組合機(jī)床自動(dòng)線，一般采用隨行夾具傳送工件，也有采用機(jī)械手的。
(2) 在實(shí)現(xiàn)單機(jī)自動(dòng)化方面
①各類半自動(dòng)車床，有自動(dòng)夾進(jìn)刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料；裝上機(jī)械手，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)，一人看管多臺(tái)機(jī)。
②注塑機(jī)有加料、合成、成型、分模等自動(dòng)工作循環(huán)，裝上機(jī)械手自動(dòng)裝卸工件，可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)生產(chǎn)。
③沖床有自動(dòng)上下料沖壓循環(huán)，裝上機(jī)械手上下料，可實(shí)現(xiàn)沖壓生產(chǎn)自動(dòng)化。
(3) 鑄、鍛、焊、熱處理熱加工方面
工業(yè)機(jī)械手滿足了社會(huì)生產(chǎn)的需要，其主要特點(diǎn)是：
①對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，能代替人從事危險(xiǎn)、有害的操作，在長時(shí)間工作對(duì)人體有害的場所，機(jī)械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境時(shí)行合理設(shè)計(jì)，扶把適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)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(xiǎn)環(huán)境中勝任工作。
為了謀求操作安全和徹底防止公害，在工作事故多的工程，如沖壓、壓鑄、熱處理、鍛造、噴漆以及有有強(qiáng)烈紫外線照射的電弧焊等作業(yè)中，推廣工業(yè)機(jī)械手工機(jī)器人。
②機(jī)械手能持久、耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動(dòng)中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人的功能。人在連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，而機(jī)械手只要注意維護(hù)、檢修，即能用途長時(shí)間的單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)。
③由于機(jī)械手的動(dòng)作準(zhǔn)確，因此可以穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)又可避免人為的操作錯(cuò)誤。
④機(jī)械手特別是通用工業(yè)機(jī)械手的通用性、靈活性好，能較好地適應(yīng)產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)的需要。這是因?yàn)闄C(jī)械手動(dòng)作程序和運(yùn)動(dòng)位置（或軌跡）能夠十分靈活快速地予以改變，而其眾多的自由度，又提供了迅速改變作業(yè)內(nèi)容的可能，在中、小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)中，最能發(fā)揮其作用。
⑤采用機(jī)械手能明顯地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和降低成本。
2 總體方案分析
2.1 總體方案分析
由設(shè)計(jì)內(nèi)容可知，本次設(shè)計(jì)所確定的機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)為球坐標(biāo)式機(jī)械手，此機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)從傳送帶到設(shè)備的上下料過程。傳送帶移動(dòng)方向與設(shè)備上所夾持的工件方向垂直。因此手臂動(dòng)作為擺動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)，手爪的動(dòng)作為伸縮和松夾。由于此機(jī)械手的動(dòng)作要求放置不同的工件，所以實(shí)現(xiàn)上下料過程也要求手腕能旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。
多種方案分析
通過以上分析，這里初選三個(gè)方案，各方案如下：
方案一：機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實(shí)現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。
方案二：機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，大手臂的俯仰也采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，小手臂的伸縮用齒輪齒條實(shí)現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)。
方案三：機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，采用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，大手臂的俯仰采用擺動(dòng)液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，小手臂的伸縮用伸縮缸實(shí)現(xiàn)，手腕的回轉(zhuǎn)用擺動(dòng)液壓缸。
2.2 方案的確定
通過方案一，方案二和方案三的比較分析可知，方案一從功能上講可以滿足條件，但電動(dòng)機(jī)的造價(jià)太高，不太經(jīng)濟(jì)。方案二中也存在上述的問題。同時(shí)齒輪齒條的驅(qū)動(dòng)精度太低，在抓取工件時(shí)定位精度不夠準(zhǔn)確，且結(jié)構(gòu)大而復(fù)雜。方案三中，由液壓缸來完成的部分，不僅驅(qū)動(dòng)力大且結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡單，雖然擺動(dòng)缸結(jié)構(gòu)尺寸大但輸出轉(zhuǎn)矩大，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而得出方案三最佳，并最終確定此次的設(shè)計(jì)方案方案三，方案如下：
機(jī)身旋轉(zhuǎn)、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)，均采用擺動(dòng)缸來控制，手臂的伸縮用伸縮缸控制，手爪的松夾用夾緊缸來控制。
2.3 動(dòng)作原理
本次設(shè)計(jì)是液壓驅(qū)動(dòng)，電氣控制。機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作是由液壓缸來驅(qū)動(dòng)的，其動(dòng)作過程是由液壓缸的各個(gè)動(dòng)作運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)時(shí)壓合行程開關(guān)，將行程開關(guān)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過PLC轉(zhuǎn)化為電磁閥得電和失電，后由電磁閥控制各油路的通斷，以實(shí)現(xiàn)各液壓缸的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，從而控制機(jī)械手的各個(gè)動(dòng)作。
2.4 工業(yè)機(jī)械手的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
2.4.1 傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)
按工業(yè)機(jī)械手的不同形式及其組合情況，其活動(dòng)范圍的圖形也是不同的，基本上可分為四種運(yùn)動(dòng)形式；直角坐標(biāo)式機(jī)械手、圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手、球坐標(biāo)式機(jī)械手、關(guān)節(jié)式機(jī)械手。
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用球坐標(biāo)型式。
由于液壓傳動(dòng)具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
(1) 壓力高，可實(shí)現(xiàn)較大的驅(qū)動(dòng)力，機(jī)構(gòu)可做的較小，緊湊。
(2) 無級(jí)變速，定位精度高，可實(shí)現(xiàn)任意中間位置的停止。系統(tǒng)固有震動(dòng)頻率小，壓力、容量調(diào)節(jié)容易。
(3) 重量小，慣性小，可做到經(jīng)?？焖偾覠o沖擊的變速和換向，容易控制，動(dòng)作平穩(wěn)，遲滯小。
2.4.2 工業(yè)機(jī)械手主要技術(shù)參數(shù)
機(jī)械手的主要技術(shù)參數(shù)有抓重、自由度、坐標(biāo)形式、工作行程（或轉(zhuǎn)角）、工作速度和定位精度、手指夾持范圍、驅(qū)動(dòng)源等。
(1) 抓重（又稱臂力） 額定抓取重量或額定負(fù)載，單位㎏。
抓重是指機(jī)械手在正常運(yùn)行時(shí)所能抓取或搬運(yùn)工件的最大重量，本設(shè)計(jì)要求抓取工件的重量為30kg,考慮到手臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素，通常安全系數(shù)k在2～3范圍內(nèi)選用。
(2) 自由度和坐標(biāo)形式
整機(jī)、手臂和手腕等運(yùn)動(dòng)共有四個(gè)自由度，坐標(biāo)型式為球坐標(biāo)。
機(jī)械手的四個(gè)自由度分別為機(jī)身回轉(zhuǎn)，手臂俯仰，伸縮及手腕回轉(zhuǎn)四個(gè)自由度，以滿足上下料動(dòng)作的要求。
(3) 工作行程范圍
工作行程范圍是指臂部，腕部，整個(gè)機(jī)械手直線移動(dòng)距離或回轉(zhuǎn)角度的范圍。對(duì)于通用機(jī)械手，為保證一定的通用性，一般手臂回轉(zhuǎn)行程范圍應(yīng)盡可能大一些，選擇0°～200°（實(shí)際使用為180°），俯仰范圍60°。手臂伸縮行程及工件半徑要適當(dāng)，若伸縮行程大，工件半徑也較大，手臂伸縮也較長，偏重力矩，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性了較大，剛性降低，易振動(dòng)，定位精度驗(yàn)難于保證，手臂伸縮行程在500～1000毫米范圍內(nèi)選取，據(jù)設(shè)計(jì)要求選取上料機(jī)械手伸縮范圍0～600毫米，手臂升降范圍為0～600毫米。
(4) 工作速度
工作速度是指機(jī)械手最大的運(yùn)動(dòng)速度，運(yùn)動(dòng)的大小與機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式、定位方式、抓重大小和行程距離有關(guān)。因此，手臂的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍時(shí)間的長短，生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性，定位精度的要求來確定。影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的兩個(gè)主要運(yùn)動(dòng)是：手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)一般應(yīng)用的機(jī)械手移動(dòng)速度通常在200～300毫米/秒，回轉(zhuǎn)角度在一圈5S左右。
(5) 定位精度
定位精度即位置精度，位置精度的高低與位置控制方式，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部件的精度和剛度、抓重、運(yùn)動(dòng)速度等有關(guān)。目前機(jī)械手大多采用點(diǎn)位控制，采用固定擋塊控制時(shí)，可達(dá)到較高的位置精度（±0.5mm或更高）。
(6) 工件為截面200mm×200mm的方形工件。
3 手部的設(shè)計(jì)
3.1 手部結(jié)構(gòu)
手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）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、表面狀況等不同，所以工業(yè)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計(jì)的。歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可以分成夾持和吸附兩大類。
夾持手部按其手指夾持工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)方式，可分為手指回轉(zhuǎn)型和手指平移型兩種。
平移型手指的張開和閉合靠手指的平行移動(dòng)，適用于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時(shí)，不會(huì)引起中心位置的偏移。所以選擇平移型手指。
由于工件為方料，而平移型手指適于夾持平板和方料，故本設(shè)計(jì)選用平移型手指。移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)移動(dòng)。
其驅(qū)動(dòng)力為：F=2FN
3.2 手爪的計(jì)算與分析
3.2.1 手爪執(zhí)行液壓缸工作壓力計(jì)算
一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)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)。
手爪對(duì)工件的夾緊力：
FN≥K1K2K3G
式中 K1—安全系數(shù)，通常取1.2～2.0；
K2—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+
a—運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度；
g—重力加速度，g≈9.8m/s2
a=
—運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度；
—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。
K3—方向系數(shù)，由于手爪是水平放置夾持水平放置工件，平直指端夾方形件，由表取K3=0.5。
G—被抓持工件的重量，G= 30×9.8N=294N
帶入數(shù)據(jù)，計(jì)算得：
FN =K1K2K3G
=1.5×1.02×0.5×294N=224.91N≈225N
查表2-1得：
驅(qū)動(dòng)力：F計(jì)算=2 FN =450N
取η=0.85
F實(shí)際==450/0.85N=530N
3.2.2 手爪的夾持誤差分析與計(jì)算
機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手定位精度，而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。為適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，必須注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍。在機(jī)械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過1mm就可以了。
4 腕部的設(shè)計(jì)
4.1 腕部結(jié)構(gòu)
手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改善或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。
手腕部件具有獨(dú)立的自由度。
手腕運(yùn)動(dòng)有：繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)（或俯仰）；繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)；有的甚至沿著Y軸（或Z軸）的橫向移動(dòng)。
采用一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而背廣泛采用。
4.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算
腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩用來克服腕部摩擦力矩、工件重心偏移力矩和慣性力矩。受力分析如圖所示。
圖4-1 腕部回轉(zhuǎn)受力分析圖
手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力矩大小可按下式計(jì)算：
M驅(qū) =kf （M摩 +M偏+ M慣）
kf — 考慮驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失的系數(shù)，通常kf 取1.1～1.2;
M偏 — 工件重心偏執(zhí)引起的偏置力矩（N﹒m）；
M摩 —腕部轉(zhuǎn)動(dòng)支撐處的摩擦阻力距（N﹒m）；
M慣—克服啟動(dòng)慣性所需的力矩（N﹒m）；
(1) 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)支撐處的摩擦阻力距:
M摩=（N1D1+ N2D2）
f—軸承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承f=0.02，滑動(dòng)軸承f=0.1；
N1,N2—軸承處支承反力（N）;
D1,D2—軸承直徑（m）；
(2) 工件重心偏執(zhí)引起的偏置力矩：
M偏=G1 e
G1—工件重量；
e—偏心距（m）（即工件重心到腕部回轉(zhuǎn)中心線垂直距離）；
由于工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心重合，故M偏=0。
(3) 克服啟動(dòng)慣性所需的力矩：
M慣=(J+J工件)
J—手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg﹒m2）；
J工件—工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg﹒m2）；
—腕部回轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
t—啟動(dòng)過程所需的時(shí)間（s），此處假定啟動(dòng)過程為勻加速運(yùn)動(dòng)，一般取0.05～0.3s。
查表3-1有：
J=m（a2+b2）/12=/12
取G=30×9.8=294N
∴J=30×(0.22+0.22)/12 kg﹒m2
=0.2 kg﹒m2
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取J工件=0.5J=0.1 kg﹒m2
∴M慣=（J+J工件）
=0.3×N﹒m=1.9 N﹒m
M偏=0
取M摩=0.1M驅(qū)
又M驅(qū) =kf （M摩 +M偏+ M慣）
=1.2×（0.1 M驅(qū)+0+1.9）
∴ M總=2.61N﹒m
圖4-2 回轉(zhuǎn)缸簡圖
1-定片 2-缸體 3-動(dòng)片 4-密封圈 5-轉(zhuǎn)軸
5 手臂的設(shè)計(jì)
5.1 手臂伸縮液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.1.1 手臂作水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
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)過程中的慣性力。
其驅(qū)動(dòng)力F驅(qū)可按下式計(jì)算：
F驅(qū) = F摩 + F慣 (N)
式中 F摩—各支承處的摩擦阻力；
F慣—啟動(dòng)過程中的慣性力，其大小可按下式估算：
F慣= a (N)
式中 W —手臂伸縮部件的總重量 （N）；
g —重力加速度（g =9.8m/s）;
a —啟動(dòng)過程中的平均加速度（m/s），
而 a = (m/s)
△v —速度變化量。手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時(shí)，則這個(gè)過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；
△t —啟動(dòng)過程中所用的時(shí)間，一般為0.01∽0.5s。
當(dāng)F摩=100N,W=1300N，△V = 500mm/s時(shí)，
F驅(qū)= 100+× =100+133=233 (N)
5.1.2 手臂垂直升降運(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F摩和慣性力F慣之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力F驅(qū)可按下式計(jì)算：
F驅(qū) = F摩 + F慣 ± W (N)
式中 F摩—各支承處的摩擦力（N）；
F慣—啟動(dòng)時(shí)慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況計(jì)算；
W—臂部運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）；
±—上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。
當(dāng)F摩=100N，F(xiàn)慣=133N，W =1300N時(shí)
F驅(qū)=100+×+1300=1533（N）
5.1.3 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸
(1) 液壓缸的內(nèi)徑的計(jì)算，當(dāng)油進(jìn)入無桿腔，活塞推力
F= F1η=Pη
當(dāng)油進(jìn)入有桿腔，活塞推力
F= F2η= Pη
液壓缸有效面積 D= (無桿腔)
式中 F—驅(qū)動(dòng)力（N）
P1—液壓缸的工作壓力（pa）
d—活塞桿的直徑（m）
D—液壓缸的內(nèi)徑（m）
η—液壓缸的機(jī)械效率，在工程機(jī)械中可用耐油橡膠
可取η=0.95
∴D==0.059m
查表4-3，4-4圓整 取D=80mm,d=45mm
查表4-2和查表4-3得
液壓缸工作壓力的選取一般取2～8Mpa
∴液壓缸的工作壓力是1533N
液壓缸的內(nèi)徑80mm
(2) 液壓缸壁厚計(jì)算
三種壁厚的公式選取中等壁厚：
=+C
式中 P1—液壓缸內(nèi)工作壓力（pa）
C—入管壁公差及侵蝕的附加厚度值
D—液壓缸內(nèi)徑（m）
—缸筒材料的許用應(yīng)力，應(yīng)按壁厚圓筒公式驗(yàn)算壁厚
取=100Mpa；
∴==0.7×10-3m
查表4-4得液壓缸外徑為95mm
5.1.4 活塞桿的計(jì)算
活塞桿的尺寸要滿足活塞運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度的要求。對(duì)于桿長l大于直徑d的15倍（即l＞15d ）的活塞桿必須具有足夠的穩(wěn)定性。
按強(qiáng)度條件計(jì)算決定活塞桿直徑d
∴d≥ P=100～120MPa
∴d≥=0.004m (d=45mm)
滿足強(qiáng)度要求
又已知手臂伸縮行程600mm，即l=600mm
l＜15×d=675
∴活塞桿的穩(wěn)定性校核無需進(jìn)行
5.1.5 液壓缸端蓋的聯(lián)接方式與強(qiáng)度計(jì)算
當(dāng)液壓缸缸體的材料選用無縫鋼管時(shí)，它的端蓋連接方式多采用半環(huán)聯(lián)接，優(yōu)點(diǎn)是加工和裝卸方便，缺點(diǎn)時(shí)缸體開環(huán)槽削弱了強(qiáng)度。
(1) 缸蓋螺釘計(jì)算
表4—1 工作壓力為P=2Mpa
∴螺間距t1＜120mm 取t1=100mm
又 FQ0=FQ+ FQS'
FQ==
FQ0—螺栓所受的總拉力
FQ—工作載荷
F—驅(qū)動(dòng)力（N）
FQS'—加載后被連接件結(jié)合面之間的剩余預(yù)緊力FQS'=KFQ K=1.5～1.8
Z—螺釘數(shù)目
p—工作壓力（Pa）
D—危險(xiǎn)剖面直徑（m）
取Z=4 又Z=
∴D0=0.13m
∴取D0= 0.14m
∴FQ==7693N
∴FQS'= KFQ =1.6×7693=12308N
FQ=7693+12308=20001N
(2) 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件
=≤ = 抗拉許用應(yīng)力（單位Mpa）
n=1.2～1.25 取n=2 取45鋼為360Mpa
∴==180 Mpa
∴d1==8.11cm
取d1=100mm
(3) 缸體螺紋計(jì)算：
d1≥
取k1=1.3 D=80mm d1=100mm
d1≥0.08m
(4) 聯(lián)接半環(huán)的計(jì)算
半環(huán)的剪切強(qiáng)度條件：
=≤
D1=D+2=80+20=100mm
=0.75×=0.75×180×106=135 Mpa
≥PD1/4=2×106×0.1/4×135×106=0.37mm
取=10mm
半環(huán)的擠壓強(qiáng)度條件：
=≤
=（1.7～2.0）
=h
∴=＜
—材料的許用擠壓應(yīng)力（pa）；
h—半環(huán)的徑向高度（m）；
∴滿足條件
5.2 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
5.2.1 手臂俯仰時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩
驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩M驅(qū) ，應(yīng)該與手臂起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣及各密封裝置處的摩擦阻力矩M封相平衡。
M驅(qū)=M封+M慣
式中 M封—密封裝置處的摩擦力矩（N?M）
需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q：
Q=L/min
Z—葉片數(shù)， Z=1
D—回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑 ， D=15cm
d—輸出軸與動(dòng)片連接處的直徑，d=6cm
b—?jiǎng)悠瑢挾龋?b=12cm
—輸出軸的角速度， =0.187rad/s
∴Q==3.18 L/min
驅(qū)動(dòng)力矩M驅(qū)
M驅(qū)===567N·m
d1≥=8.11cm
5.2.2 缸蓋聯(lián)接螺釘計(jì)算和動(dòng)片聯(lián)接螺釘計(jì)算
螺釘?shù)拈g距取60mm
Z===9.42 取Z=10
工作載荷：F====3532.5N
(1) 缸蓋聯(lián)接螺釘直徑d1：
d1≥=0.57㎝
取d1=8㎜
(2) 動(dòng)片聯(lián)接螺釘?shù)挠?jì)算
FQ===12600N
螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為=≤
又FQj=1.3FQ=1.3×12600=16380N
=1800㎏/㎝2
∴ d1≥==3.4㎝
取d1=16㎜
式中 FQ—每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力（N）
b—?jiǎng)悠膶挾龋╩）
p—回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa）
D—?jiǎng)悠鈴剑╩）
d—?jiǎng)悠c輸出軸配合處直徑（m）
z—螺釘數(shù)目
d1—螺釘?shù)牡讖剑╩）
—螺釘材料的許用應(yīng)力（Pa）
機(jī)身設(shè)計(jì)
機(jī)身是直接支承和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。
機(jī)身具有獨(dú)立的自由度。
采用一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的機(jī)身結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而背廣泛采用。
6.1 機(jī)身結(jié)構(gòu)的計(jì)算
機(jī)座回轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)力矩用來克服機(jī)身摩擦力矩、機(jī)身重心偏移力矩和慣性力矩。
機(jī)座回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力矩大小可按下式計(jì)算：
M驅(qū) =kf （M摩 +M偏+ M慣）
kf — 考慮驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失的系數(shù)，通常kf 取1.1～1.2;
M偏 —機(jī)身重心偏執(zhí)引起的偏置力矩（N﹒m）；
M摩 —機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)支撐處的摩擦阻力距（N﹒m）；
M慣—克服啟動(dòng)慣性所需的力矩（N﹒m）；
(1) 機(jī)座轉(zhuǎn)動(dòng)支撐處的摩擦阻力距:
M摩=（N1D1+ N2D2）
f—軸承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承f=0.02，滑動(dòng)軸承f=0.1；
N1,N2—軸承處支承反力（N）;
D1,D2—軸承直徑（m）；
(2) 機(jī)身重心偏執(zhí)引起的偏置力矩：
M偏=G1 e
G1—機(jī)身重量；
e—偏心距（m）（即機(jī)身重心到機(jī)身回轉(zhuǎn)中心線垂直距離）；
由于機(jī)身重心與機(jī)身回轉(zhuǎn)中心重合，故M偏=0。
(3) 克服啟動(dòng)慣性所需的力矩：
M慣=(J+J工件)
J—機(jī)座回轉(zhuǎn)部分對(duì)機(jī)身回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg﹒m2）；
J工件—機(jī)身對(duì)機(jī)身回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg﹒m2）；
—機(jī)座回轉(zhuǎn)角速度（rad/s）；
t—啟動(dòng)過程所需的時(shí)間（s），此處假定啟動(dòng)過程為勻加速運(yùn)動(dòng)，一般取0.05～0.3s。
查表3-1有：
J=m（a2+b2）/12=/12
取G=2500N
∴J=2500/9.8×(1.62+0.62)/12 kg﹒m2
=62kg﹒m2
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取J工件=0.5J=31 kg﹒m2
∴M慣=（J+J工件）
=93×N﹒m=586N﹒m
M偏=0
取M摩=0.1M驅(qū)
又M驅(qū) =kf （M摩 +M偏+ M慣）
=1.2×（0.1 M驅(qū)+0+586）
∴ M總=800N﹒m
6.2 機(jī)身設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)
(1) 應(yīng)使機(jī)身具有足夠的剛度和穩(wěn)定性；
(2) 應(yīng)使機(jī)身運(yùn)動(dòng)的位置精度高，動(dòng)作靈活；
(3) 應(yīng)使機(jī)身結(jié)構(gòu)布置合理，結(jié)構(gòu)緊湊，便于維修；
(4) 要求缸體剛度和強(qiáng)度要大。
7 機(jī)械手液壓系統(tǒng)工作原理
7.1 能量轉(zhuǎn)化簡圖
機(jī)械手的液壓傳動(dòng)力是以有壓力油作為傳遞動(dòng)力的工作介質(zhì)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵輸出壓力油，是將電動(dòng)機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置導(dǎo)進(jìn)入油缸，推動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)，從而手臂作伸縮，升降運(yùn)動(dòng)，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。
其液壓傳動(dòng)能或概括如下：
電 動(dòng) 機(jī)
油 泵
控制調(diào)節(jié)裝置（各種閥類）控制系統(tǒng)壓力運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度
直線運(yùn)動(dòng)油缸
執(zhí)行機(jī)構(gòu)（手臂、手部等）
回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)油缸
機(jī)械能輸出驅(qū)動(dòng)力、速度
機(jī)械能輸出驅(qū)動(dòng)力矩
壓力能
輸入
壓力油
機(jī)械能
輸出
圖7-1 能量轉(zhuǎn)化簡圖
7.2 液壓系統(tǒng)的組成
液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由以下幾個(gè)主要部分組成：油泵、液壓機(jī)、控制調(diào)節(jié)裝置、（如單向閥、溢流閥、換向閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等）輔助裝置。
7.3 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械手的特點(diǎn)
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，由于液壓技術(shù)是一個(gè)比較成熟的技術(shù)，它具有動(dòng)力大（或力矩）慣性比大，快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，適用于承載能力大、慣性大以及在防爆環(huán)境中工作的機(jī)械手。
機(jī)械手采用液壓傳動(dòng)比采用氣壓傳動(dòng)有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 能得到較大的輸出力和力矩
(2) 液壓傳動(dòng)滯后現(xiàn)象下，反應(yīng)較靈活，傳動(dòng)平穩(wěn)
(3) 輸出力和運(yùn)動(dòng)速度控制較容易
(4) 可達(dá)到較高的定位精度
但液壓傳動(dòng)也有缺點(diǎn)：
(1) 系統(tǒng)的泄漏難以避免，影響工作效率和系統(tǒng)的工作性能
(2) 油液的粘度對(duì)溫度的變化很敏感，當(dāng)溫度升高時(shí)，油的粘度即顯著降低，油液粘度的變化直接影響液壓系統(tǒng)的性能和泄漏量。
7.4 油缸泄漏問題與密封裝置
機(jī)械手由于油缸泄漏嚴(yán)重，壓力不能提高，工作性能不穩(wěn)定，以致影響機(jī)械手的正常使用。因此，為了保證機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作性能，在各油缸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面和固定連接斷面的進(jìn)行密封。以防止壓力油從高壓油腔泄漏到低壓油或泄漏到缸體處面。
目前，機(jī)械手液壓系統(tǒng)使用的密封件大多采用耐油橡膠制成的各種形式密封圈，作為動(dòng)密封和靜密封，以保證兩結(jié)合面的密封性。
密封圈在配合面間的密封作用，主要是借安裝時(shí)的預(yù)壓和工作時(shí)由于油液壓力的作用，使密封圈變形并壓緊密封表面達(dá)到目的。
7.4.1 活塞式油缸的泄漏與密封
對(duì)于實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞油缸來說，其泄漏主要是活塞與缸臂處的內(nèi)泄漏及往復(fù)活塞桿與缸蓋處的處泄漏。引起泄漏的原因是加工精度和滑動(dòng)面光潔度不高，以及控制裝置不良所致。
對(duì)于活塞油缸的靜密封，主要采用O型密封圈，它既可以用外徑或內(nèi)徑密封，也可以用端面密封。
O型密封圈裝在溝槽中，因受油壓作用而變形，并張緊溝槽和間隙，從而起到密封的作用，因此它的密封性能隨壓力的增加而提高。但是，當(dāng)壓力過高或溝槽尺寸選擇不當(dāng)時(shí)，密封圈很容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。為克服這個(gè)缺點(diǎn)，當(dāng)油缸油液的壓力大于100㎏/㎝2時(shí)，要在O型密封圈側(cè)面放置擋圈，在壓力低于100㎏/㎝2時(shí)，一般不加擋圈。在手臂伸縮油缸和手臂俯仰油缸中都用了Y型密封圈，Y型密封圈在工作時(shí)壓力油液把Y型密封圈的唇邊緊緊壓在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩配合面上，并隨著油液壓力的增高而提高密封性能，并能補(bǔ)償磨損的影響，所以裝配時(shí)唇邊要對(duì)壓力油腔。在一般情況下，Y型密封圈可直接裝入溝槽內(nèi)即可引起密封作用，但在壓力變動(dòng)較大，滑動(dòng)速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈。
7.4.2 回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封
手臂回轉(zhuǎn)油缸中，由于動(dòng)片與缸體，動(dòng)片與輸出軸，動(dòng)片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的泄露，使油液的壓力降低，減少了輸出扭矩，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，影響機(jī)械手的正常運(yùn)行。為減少泄漏，除嚴(yán)格控制相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的配合間隙外，主要的是采用密封裝置進(jìn)行密封。
經(jīng)反復(fù)考慮，選擇矩形橡膠密封圈組成回轉(zhuǎn)油缸的密封結(jié)構(gòu)，其中擋圈的作用是防止高壓油液將橡膠密封圈擠入配合間隙，以保證密封性并延長密封圈的使用壽命。
7.5 液壓系統(tǒng)傳動(dòng)方案的確定
7.5.1 各液壓缸的換向回路
為便于機(jī)械手的自動(dòng)化控制，如采用可編程器或微機(jī)進(jìn)行控制，從工況圖中可知系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動(dòng)化程度和經(jīng)濟(jì)效益。
液壓機(jī)械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂俯仰和手臂旋轉(zhuǎn)等機(jī)構(gòu)采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時(shí)為了保證多缸運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)互不干擾，實(shí)現(xiàn)同步或非同步運(yùn)動(dòng)，換向閥需要采用中位“O”型換向閥。
7.5.2 調(diào)速方案
整個(gè)液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設(shè)計(jì)要求的。盡管有的液壓缸是單一工作，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸運(yùn)行的平穩(wěn)性。各缸可選擇進(jìn)油路或回油路節(jié)流調(diào)速，因?yàn)橄到y(tǒng)為中低系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調(diào)速。
機(jī)械手的手臂伸縮和手臂俯仰或升降缸采用兩個(gè)單向節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)。若只用一節(jié)流速調(diào)速時(shí)，則進(jìn)行油達(dá)到最大允許調(diào)速來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。當(dāng)無桿腔進(jìn)油時(shí)，其速度就少于最大允許速度，但仍然符合設(shè)計(jì)需要。
在一般情況下，機(jī)械手的各個(gè)部位是分別動(dòng)作，手腕回轉(zhuǎn)和手臂回轉(zhuǎn)缸（或升降）所需的流量較為接近，手腕回轉(zhuǎn)缸和手臂回轉(zhuǎn)缸及夾緊缸所需流量較為接近，且它們兩組缸所需的流量相差較大，這樣不但可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可以選擇雙泵系統(tǒng)。
單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經(jīng)濟(jì)性好。缺點(diǎn)是當(dāng)所需流量較少的液壓缸動(dòng)作時(shí)，系統(tǒng)的溢流損失較大，能源利用率較低。對(duì)于系統(tǒng)功率較小的場合是可取的。本設(shè)計(jì)選用單泵供油。
7.5.3 減速緩沖回路
通用工業(yè)機(jī)械手要求可變行程，它是由微機(jī)控制，可在行程中任意點(diǎn)定位，故應(yīng)在液壓系統(tǒng)中采用緩沖裝置，形成緩沖回路。
7.5.4 系統(tǒng)安全可靠性
手臂俯仰缸（或手臂升降缸）在系統(tǒng)失壓情況下會(huì)自由下落或超速下行，所以應(yīng)在回路中增加平衡回路，方法可用單向順序閥做平衡閥，手臂伸縮缸有俯仰狀態(tài)時(shí)，亦應(yīng)同樣考慮。為防止夾緊缸壓力系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響或過高，導(dǎo)致夾緊力過大損壞工件，或過低無法夾緊工件，造成意外的安全事故，需在油路上增加減壓閥保證夾緊缸的壓力恒定不變。
7.5.5 機(jī)械手的動(dòng)作分析
序號(hào) 元件名稱 型號(hào) 規(guī)格 數(shù)量
1 線隙式濾油器 XU-132X100 250N 32l/min 1
2 電動(dòng)機(jī) Y100L1-4 N=2.2KW n=1430r/min 1
3 齒輪泵 CE-B25 2.5MPa 25l/min 1
4 溢流閥 P-B25B 2.5MPa Φ12mm 1
5 電磁換向閥 22D-25B 2.5MPa Φ12mm 1
6 單向閥 I-25B 6.3MPa Φ12mm 1
7 壓力表 Y-60 0～4.0MPa 1
8，14 節(jié)流閥 L-25B 6.3MPa Φ12mm 2
9，15，20，
21，25，26，30 節(jié)流閥 L-25B 6.3MPa Φ12mm 7
10，16 電磁換向閥 22D-25BH 6.3MPa Φ12mm 2
22，27 電磁換向閥 22D-10BH 6.3MPa Φ12mm 2
11，17 電磁換向閥 34D-25B 6.3MPa Φ12mm 2
23，28 電磁換向閥 34D-10B 6.3MPa Φ12mm 2
31 電磁換向閥 23D-10B 6.3MPa Φ12mm 1
12，18 單向順序閥 XI-B25B 2.5M