機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)-上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（含CAD圖紙全套）
機(jī)械畢業(yè)設(shè)計(jì)-上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（含CAD圖紙全套）,機(jī)械,畢業(yè)設(shè)計(jì),機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),cad,圖紙,全套
Compurrrs 8 f 2 m Y X v Vk shown below F O I Q kf mki 4 K1 6 u R 9b where the superscripts r and f refer to rigid body and The equations of motion are integrated by using elastic degrees of freedom respectively K is a block a variable step variable order predictor corrector diagonal matrix whose diagonal submatrices are the algorithm to obtain the time history of the z u 1 2 3 s v l 12 are the time invariant matrices and mk is the mass of ith finite element of the kth body By defining L A i 1 2 of the elements are taken as the design variables The wall thickness of each element is set to be 0 1 Dni The material properties are E 72 GPa and p 2700 kg rnm3 The problem size is reduced by using modal variables The first two bending modes and the first axial mode with fixed free boundary conditions are considered The Fig 1 A planar robotic manipulator 24 0 22 0 t t 20 0 18 0 f 16 0 14 0 12 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Number of iterations Fig 2 Design histories 258 S Oral and S Kemal Ider Table 1 Optimum solutions for the planar robotic manipulator KS 10 KS 30 KS SO MCC Weight Dll 012 DZI 022 Number of N mm mm mm mm iterations 21 374 62 635 50 982 45 107 30 927 14 16 800 55 995 45 409 39 266 27 172 19 16 286 55 210 44 742 38 524 26 736 19 15 719 54 266 44 150 37 552 26 315 38 actuator of link 2 is located at joint B has a mass of 2 kg and the combined mass of the end effector and payload is 1 kg The design problem is solved under the following constraints 75MPa ai 75MPa i l n 6 0 001 m where the stress constraints are evaluated at n number of points which are the top and bottom points at each node 6 is the deviation magnitude of the resultant of deviations in x and y directions of the end effector E from the rigid motion The initial design is 50 mm for all design variables Dki In this example the equivalent constraints are formed by employing the most critical constraints and the results are compared by using the Kreisselmeier Steinhauser function In the latter different values of c have been tried It has been observed that the lower values of c resulted in highly conservative designs as expected A value of c 50 yielded a satisfactory design It should be noted that the compiler limits may be exceeded for large values of c due to the exponential function if the lower bounds on design variables are set too small On the other hand the most critical constraint approach resulted in the lightest design satisfying the deviation constraint exactly The minimum weights optimum diameters and number of iterations are tabulated in Table 1 The design histories are shown in Fig 2 The labels KS c denote the results obtained by the Kreisselmeier Steinhauser function whereas MCC denotes the use of most critical constraint approach It is seen that the stresses are far below the allowable 10 0 KS10 KS30 KS50 MCC 6 0 J 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 t w Fig 3 The stresses at the middle of link 2 at the top in the optimum designs 0 8 E 0 6 s P 0 4 0 2 Fig 4 The end effector deviation in the optimum designs High speed flexible robotic arms 259 values hence the stress constraints are inactive The stresses at the middle of link 2 at the top where the maximum stresses occur are plotted in Fig 3 The end effector deviation 6 for the optimum solution is shown in Fig 4 5 CONCLUSIONS In this study a methodology for the optimum design of high speed robotic manipulators subject to dynamic response constraints has been presented The coupled rigid elastic motion of the manipulator has been considered The large number of time de pendent constraints has been reduced by forming equivalent time independent constraints based on the most critical constraints whose time points may vary as the design variables change It has been shown that the piecewise smooth nature of this equivalent constraint does not cause a deficiency in the optimization process Sequential quadratic program ming is used in the solution of the design problem with sensitivities calculated by overall finite differ ences A high speed planar robotic manipulator has been optimized for minimum weight under stress and deviation constraints The use of equivalent con straints based on Kreisselmeier Steinhauser function yielded conservative designs while the most critical constraint approach resulted in the best design REFERENCES I W H Greene and R T Haftka Computational 2 3 4 5 6 I a 9 IO 11 12 aspects of sensitivity calculations in transient structural analysis Compur Strucr 32 433 443 1989 E J Haug and J S Arora Design sensitivity analysis of elastic mechanical systems Comput Meth uppl Mech Engng 15 3562 1978 G Kreisselmeier and R Steinhauser Systematic control design by optimizing a vector performance index In Proc IFAC Symp Computer Aided Design of Control Systems Zurich pp 113 I 17 1979 R T Haftka 2 Gurdal and M P Kamat Elements of Structural Optimization Kluwer Academic Dordreicht 1990 D A Saravanos and J S Lamancusa Optimum structural design of robotic manipulators with fiber reinforced composite materials Comput Struct 36 119 132 1990 M H Korayem and A Basu Formulation and numerical solution of elastic robot dynamic motion with maximum load carrying capacities Roboticu 12 253 261 1994 J H Park and H Asada Concurrent design optimization of mechanicai structure and control for high speed robots ASME J Dyn Systems Mesmt Control 116 344 356 1994 A A Shabana Dynamics of Multibody Systems Wiley New York 1989 S S Kim and E J Haug A recursive formulation for flexible multibody dynamics Part 1 open loop systems Comput Meth appl Mech Engng II 293 314 1988 S K Ider and F M L Amirouche Nonlinear modeling of flexible multibody systems dynamics subjected to variable constraints ASME J appl Mech 56 444451 1989 K Schittkowski NLPQL A Fortran subroutine solving constrained nonlinear programming problems Ann opns Res 5 485500 1985 T R Kane P W Likins and D A Levinson Spacecraft Dynamics McGraw Hill New York 1983 CAS 6512 E 附件1：外文資料翻譯譯文
具有動態(tài)特性約束的高速靈活的機(jī)械手優(yōu)化設(shè)計(jì)
摘要：本文提出了一種強(qiáng)調(diào)時(shí)間獨(dú)立和位移約束的機(jī)器手優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，該理論用數(shù)學(xué)編程的方法給予了實(shí)現(xiàn)。將各元件用靈活的連桿連接起來。設(shè)計(jì)變量即為零件橫截面尺寸。另用最關(guān)鍵的約束等量替換時(shí)間約束。結(jié)果表明，此方法產(chǎn)生的設(shè)計(jì)結(jié)果比運(yùn)用Kresselmeier-Steinhauser函數(shù)，且利用等量約束所產(chǎn)生的設(shè)計(jì)方案更好。建立了序列二次方程基礎(chǔ)上的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，且設(shè)計(jì)靈敏度通過總體有限偏差來評定。動態(tài)非線性方程組包含了有效運(yùn)動和實(shí)際運(yùn)動的自由度。為了舉例說明程序，設(shè)計(jì)了一款平面機(jī)器人，其中利用某一特定的方案并且運(yùn)用了不同的等量約束進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 版權(quán)屬于 1997年埃爾塞維爾科技有限公司
1． 導(dǎo)論
目前對高速機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求越來越高，元件質(zhì)量的最小化是必不可少的要求。傳統(tǒng)機(jī)器手的設(shè)計(jì)取決于靜態(tài)體系中運(yùn)動方式的多樣化，但這并不適合于高速系統(tǒng)即應(yīng)力和繞度均受動力效應(yīng)控制的系統(tǒng)。為了防止失敗，在設(shè)計(jì)的時(shí)候必須考慮到有效軌跡和實(shí)際運(yùn)動軌跡之間的相互影響。
在暫態(tài)負(fù)載下對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)開始展開研究，該研究是基于下面幾個(gè)不同的等量約束條件下進(jìn)行的，分別為對臨界點(diǎn)的選擇上[1] ， 反約束的時(shí)間限制[2] ，和Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)[3,4]的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究。在選擇臨界點(diǎn)時(shí)，假定臨界點(diǎn)的位置的時(shí)間是固定的，然而這種假設(shè)不適合高速系統(tǒng)。第二個(gè)辦法的缺點(diǎn)是等量約束在可行域內(nèi)幾乎為0，因此現(xiàn)在還沒有跡象表明這些約束是否重要。使用Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)在可行域中產(chǎn)生了非零的等量約束，但它定義了一個(gè)保守的約束，從而產(chǎn)生了一個(gè)過于安全的設(shè)計(jì)方法。
在設(shè)計(jì)機(jī)器手的時(shí)候，常規(guī)方法是考慮多靜態(tài)姿態(tài)[5-7]，而不是考慮時(shí)間上的約束。這種方法并不適合高速系統(tǒng)，原因是一些姿態(tài)不能代表整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動，此外，位移和應(yīng)力的計(jì)算也是不準(zhǔn)確的，這是因?yàn)樵谟?jì)算的時(shí)候省略了剛性和彈性運(yùn)動之間的聯(lián)系。事實(shí)上，這種聯(lián)系是靈活多體分析中最基本的[8-10] 。
在這項(xiàng)研究中，開發(fā)了一種設(shè)計(jì)高速機(jī)械手的方法，這種方法考慮了系統(tǒng)剛性彈性運(yùn)動之間的聯(lián)系及時(shí)間獨(dú)立等約束。把最關(guān)鍵的約束作為等量約束。 最關(guān)鍵的約束的時(shí)間點(diǎn)可能隨著設(shè)計(jì)變量值的變化而變化。反應(yīng)靈敏度由整體偏移所決定，設(shè)計(jì)的最優(yōu)化取決于序列二次方程式。為了說明程序， 對雙桿平面機(jī)器手的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了優(yōu)化。設(shè)計(jì)結(jié)果與那些采用了Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)的機(jī)器手進(jìn)行對比。
2、設(shè)計(jì)理念
在這一節(jié)中，機(jī)器手的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法使用用于計(jì)算強(qiáng)度和剛性的非線性數(shù)學(xué)編程方法。機(jī)器手由N個(gè)活動連桿組成，每一個(gè)連桿由Ek個(gè)有限零件柱組成。其目的是盡可能的減小機(jī)械手的質(zhì)量。與強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的約束主要是應(yīng)力元素和剛性約束。這些約束將使得有效運(yùn)動的位移產(chǎn)生偏移。設(shè)計(jì)變量就是連桿和零件的截面特性。
從數(shù)學(xué)上來說，目標(biāo)函數(shù)應(yīng)滿足這樣的約束:
（1）其中和分別是第k個(gè)機(jī)構(gòu)的第i個(gè)零件的密度和體積，x是設(shè)計(jì)變量的矢量，是時(shí)間約束總數(shù)。在驗(yàn)證位移和應(yīng)力的時(shí)候，參考文獻(xiàn)[10]中的遞推公式可用來計(jì)算機(jī)器手有效軌跡與實(shí)際軌跡。
將連桿的變形與連桿參照系聯(lián)系起來，其中在一定邊界約束條件下做完整運(yùn)動。這樣通過縮小模型就可以減少每個(gè)連桿的實(shí)際自由度數(shù)了。
系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)系是由連桿變量和模塊變量組成的。微粒P的運(yùn)動速度可表式為
(2)
其中和是相互制約的系數(shù)。
凱恩（Kane）等人的方程式[12]曾被用來測定一些運(yùn)動方程式如 (3)
其中是整體速度向量，F(xiàn)是合成外力向量，M、Q還有分別為總質(zhì)量、柯氏力、地心引力和彈力，計(jì)算公式如下：
（4）
（5）
(6)
其中上標(biāo)r和f分別代表有效自由度和實(shí)際自由度。K為對角矩陣，其對角線上的子矩陣是減少了的有效矩陣以連桿變量的形式出現(xiàn)的。為了驗(yàn)證子矩陣在方程（4，5）中是否正確，和可表示如下：
p, r=1,2,3; q=1,…,; s=1, …,12 (7a)
p, r=1,2,3; q=1,…,m; s=1,…12 (7b)
其中是元件形狀函數(shù)，是連桿變量數(shù)，m是模塊變量數(shù)。方程式中的標(biāo)注即多次出現(xiàn)的下標(biāo)指數(shù)是以概括的形式出現(xiàn)的，這些下標(biāo)只不過是公式的一部分，并不表示某一含義除非特定指明。這些子矩陣可表示成：
其中和；z,u=1,2,3； s,v=1,…,12是時(shí)間變量，是第k個(gè)機(jī)構(gòu)的第i個(gè)元件的質(zhì)量。在定義和時(shí)，柯氏力和地心引力可由下列算式計(jì)算出來：
這個(gè)運(yùn)動方程式綜合了變量步長和變量預(yù)測校正的算法，以獲取坐標(biāo)系和中的時(shí)間記錄。于是，有關(guān)物體參考系的節(jié)點(diǎn)位移可由模塊轉(zhuǎn)換公式獲得。由應(yīng)力與位移關(guān)系式計(jì)算出零件受到的壓應(yīng)力。整個(gè)參考系中各點(diǎn)的位移可用和機(jī)架的各節(jié)點(diǎn)位移算出。點(diǎn)的偏移可由那個(gè)點(diǎn)在實(shí)際運(yùn)動和有效運(yùn)動的位移差精確的求出。
應(yīng)當(dāng)指出的是，在運(yùn)動方程式中，設(shè)計(jì)變量函數(shù)的形式有矩陣，零件的質(zhì)量和初始矢量中的、陣列。因此在對靈敏度進(jìn)行分析的時(shí)候，這些都應(yīng)與設(shè)計(jì)變量區(qū)分開來。然而，分析并且驗(yàn)證靈敏度在這次研究中是個(gè)非常困難的項(xiàng)目。不全面的分析或是允許極小誤差的方式來研究這一問題也未嘗不是個(gè)好方法。
3.減少約束
對機(jī)器手進(jìn)行動態(tài)分析的方法就是計(jì)算個(gè)獨(dú)立點(diǎn)在同一時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動。因此，約束數(shù)目最好滿足 ，而且這么多的約束在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)也是不切實(shí)際的。不過有一個(gè)很有效的辦法可以使約束數(shù)控制在范圍內(nèi)又可以使約束數(shù)滿足t的所有值，這就是用Kreisselmeier - Steinhauser函數(shù)[ 3 ]等量替換單個(gè)時(shí)間約束，此函數(shù)表示如下：
其中和C是正數(shù)并由和之間的關(guān)系決定即min().這可以說明Kreisselmeier-Steinhauser函數(shù)限定了一個(gè)保守的值域[4]比如總是比min()更重要，而且c的值越大和min()之間的差就越小。這就是所謂用最關(guān)鍵的約束等量替換了諸如 （11）
之類的約束。在這一方法中，用等量約束限定了分段函數(shù)并使其由向間斷的過渡。在這一值域里盡管左右突出的構(gòu)件在過渡點(diǎn)有差異，但他們具有相同的標(biāo)識和梯度，因此可在過渡點(diǎn)自然結(jié)合。隨著時(shí)間逐步的趨近零點(diǎn)，等量約束也變得逐漸光滑。
上述所提到的非線性約束優(yōu)化問題可以由NLPQL[11]來解決，即運(yùn)用序列二次方程的方法。這種優(yōu)化需要初始信息和，m=1,…, 這兩個(gè)可由目前研究出的有限差來計(jì)算。
4.舉例
雙桿平面機(jī)器人如圖1所示。運(yùn)動原理是被動塊E沿直線從初始位置（θ1=120°，θ2=-150°）運(yùn)動到終點(diǎn)位置（θ1=60°，θ2=-30°）。E的運(yùn)動軌跡表示如下：
整個(gè)運(yùn)動過程的時(shí)間T=0.5s。
每一個(gè)連桿的長度為0.6米并由兩個(gè)等長的零件連接著。其零件的外徑，其為本設(shè)計(jì)的變量，k=1,2；i=1,2。零件的厚度為0.1。物體的壓強(qiáng)和密度分別是E=72GPa,ρ=2700Kg/m-3。模塊變量縮小了形狀尺寸。最先結(jié)合的兩個(gè)模塊和最先有著固定自由的約束條件的軸也都被考慮到了。位于連接點(diǎn)B處的桿2質(zhì)量為2kg，被動物塊和有效載荷的總質(zhì)量為1kg。設(shè)計(jì)的約束條件如下：
-75MPa≤σi≤75MPa i=1,…,
δ≤0,001m
其中應(yīng)力約束由節(jié)點(diǎn)頂部或底部的個(gè)點(diǎn)來驗(yàn)證。δ是E的實(shí)際運(yùn)動軌跡與有效運(yùn)動軌跡的偏離量（即x和y方向的最大偏移值）。初始設(shè)計(jì)變量
均為50mm.
圖1 平面機(jī)器手操作器
在這個(gè)例子里，等量約束是由最關(guān)鍵的約束組成的并且其結(jié)果與Kreisselmeier-Steunhauser函數(shù)的結(jié)果進(jìn)行了比較。后者函數(shù)中適用了c的不同值，可以發(fā)現(xiàn)c的值越小其產(chǎn)生的設(shè)計(jì)就越死板。c=50時(shí)的設(shè)計(jì)是最理想的。應(yīng)當(dāng)指出的是編譯器的限制可能會超過c的最大值，這完全取決于指數(shù)函數(shù)也就是只要設(shè)計(jì)變量的低限足夠的小。另一方面，最關(guān)鍵的約束會產(chǎn)生極小質(zhì)量的設(shè)計(jì)并且精確的迎合偏移位移量。最小的質(zhì)量，恰當(dāng)?shù)闹睆胶头磸?fù)運(yùn)動的次數(shù)在表1中列出。設(shè)計(jì)軌跡見表2。表KS-c表明了由Kreisselmeier-Steinhauser函數(shù)產(chǎn)生的結(jié)果，然而MCC表示關(guān)鍵約束。可見應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許值，因此應(yīng)力約束受到了限制。連桿2中間的應(yīng)力最大（見）圖3。被動物塊的偏移量δ的最佳解決方案見圖4
圖2 設(shè)計(jì)參數(shù)
表1 平面機(jī)器人控制器最佳方法
圖3 頂部連接兩個(gè)的平均壓力的最佳設(shè)計(jì)
圖4 最終效應(yīng)器偏差的最佳設(shè)計(jì)
5.總結(jié)
在研究中，高速遙控操縱器的最佳設(shè)計(jì)方案取決于動態(tài)特性。操縱器的固定軌跡與實(shí)際軌跡運(yùn)動也必須考慮到。把最關(guān)鍵的約束用作等量約束。 最關(guān)鍵的約束的時(shí)間點(diǎn)可能隨著設(shè)計(jì)變量的改變而變化。這表明分段的等量約束并不會使設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生缺陷。序列二次方程用于解決設(shè)計(jì)問題，其是運(yùn)用整體偏差進(jìn)行靈敏度計(jì)算。 高速平面遙控操縱器已被優(yōu)化設(shè)計(jì)成在應(yīng)力和偏差限制下的最小質(zhì)量?；贙reisselmeier - Steinhauser函數(shù)產(chǎn)生的保守設(shè)計(jì)下使用等量約束，最好的設(shè)計(jì)理念就是用最關(guān)鍵的約束。
附件2：外文原文（復(fù)印件）
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院
本科畢業(yè)論文
題 目： 上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
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2020年2月22日
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摘要
工業(yè)機(jī)械手是近十幾年新興發(fā)展的一個(gè)高科技行業(yè)，它的發(fā)展可謂是突飛猛進(jìn)，機(jī)械手的迅猛發(fā)展體現(xiàn)了工業(yè)機(jī)器人的進(jìn)步，它的特點(diǎn)是可通過編輯好的程序來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上以兼?zhèn)淙撕蜋C(jī)器的各自優(yōu)點(diǎn)而獨(dú)具特色，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性，機(jī)器的耐勞性和不具危險(xiǎn)的能力，在各大領(lǐng)域的發(fā)展前景一片明朗，伴隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)控加工中心，它在減輕工人的勞動強(qiáng)度的同時(shí)，大大升華了勞動生產(chǎn)率，但數(shù)控加工中常見的上下料工序，習(xí)以為常的采用人工操作或傳統(tǒng)繼電器控制的半自動化裝置，前者耗費(fèi)時(shí)間、效率低下、而后者因結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需大量的繼電器，接線比較繁瑣復(fù)雜，容易被車體抖動所干擾，而存在較多的不可靠性、容易發(fā)生故障、維修不方便等問題，可編程序操控器PLC控制的上下料機(jī)械手控制系統(tǒng)動作簡易、線路排列合理、具備很強(qiáng)的抗干擾能力，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，降低了維修率，提高了工作效率。機(jī)械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等，是一門跨學(xué)科領(lǐng)域的全面性技術(shù)。
我們設(shè)計(jì)一臺上料機(jī)械手，用于輸送物料。通過對機(jī)械手各主要組成部分（手部、手腕、手臂和機(jī)身等）分析，從而確定各主要組成部分的結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，從而確定裝配總圖。
關(guān)鍵詞: 機(jī)械手; 設(shè)計(jì)； 手部; 手臂； 機(jī)身； 結(jié)構(gòu)
Abstract
Industrial manipulator is nearly 10 years emerging development of a high-tech industry, its development is by leaps and bounds, the rapid development of robots reflected the progress of the industrial robot, its characteristic is by editing the homework tasks to complete various expected good programs, to have both humans and machines on structure and performance of their respective advantages and unique, especially reflects people's intelligence and adaptability, the hardiness of the machine and the ability to not hazardous, in each big development prospects in the field of a clear, with the development of industrial automation, CNC machining center, it while reduce the labor intensity of workers, sublimate the labor productivity greatly, but common loading during the n c machining process, habitual use manual or semi-automatic device of traditional relay control, time-consuming, low efficiency, while the latter because of the complexity of the structure, need a lot of relay, compare the complex wiring, easy to interference by body shaking, and there are more unreliability, prone to failure, it is not convenient to maintenance, PLC programmable control device control lines of manipulator control system is up and down movement of simple and easy, have very strong anti-interference ability, reasonable arrangement, ensure the reliability of the system operation, reduce the maintenance rate, improve the working efficiency. Manipulator technology relates to mechanics, mechanical, electrical hydraulic technology, automatic control technology, sensor technology and computer technology, etc., is an interdisciplinary field of comprehensive technology.
We design a manipulator on stage, used for conveying materials. Through to the manipulator's main part (the hand, wrist, arm, and the fuselage, etc.), to determine the main component of the structure, on the basis of design for the manipulator is calculated, which determine the general assembly.
Key words: Manipulator; design; hand; arm; fuselage; structure
目 錄
第一章引言 1
1.1機(jī)械手簡介 1
1.2 機(jī)械手的分類 3
第二章上料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 5
2.1機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.2機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5
2.3機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.3.1缸筒內(nèi)徑的設(shè)計(jì) 8
2.3.2缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 8
2.3.3缸筒壁厚的驗(yàn)算 9
2.3.4活塞桿校核計(jì)算 10
2.3.5缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 10
2.3.6其他元件的確定 11
2.3.7擺動缸校核計(jì)算 11
2.4機(jī)械手的仰俯缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
2.4.1缸筒內(nèi)徑的設(shè)計(jì) 14
2.4.2缸筒壁厚的設(shè)計(jì) 14
2.4.3缸筒壁厚的驗(yàn)算 15
2.4.4活塞桿校核計(jì)算 16
2.4.5缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 17
2.4.6大小力臂機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)計(jì)算 18
2.4.7其他元件的確定 21
第三章液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 22
3.1各液壓缸的換向回路 22
3.2調(diào)速方案 22
第四章液壓元件 23
4.1閥的應(yīng)用 23
4.1.1壓力控制閥 23
4.1.2流量（速度）控制閥 23
4.1.3泵. 23
4.2閥類的選擇原則 24
4.3液壓系統(tǒng)中的輔助裝置 24
結(jié)論 26
參考文獻(xiàn) 27
致謝 28
沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第一章引言
第一章引言
1.1 機(jī)械手簡介
機(jī)械手作為新時(shí)代的應(yīng)運(yùn)而生的產(chǎn)物，它得到了太多的傾媚，它是見證時(shí)代發(fā)展的機(jī)器，它讓這個(gè)時(shí)代更加的方便，讓人們得到了得到了意想不到的收獲，它給了世界太多的驚喜。不管從農(nóng)業(yè)還是工業(yè)上來說，它都代表了一個(gè)劃時(shí)代的產(chǎn)物。機(jī)械手是模仿著人手的部分工作，它更加安全，可靠，讓人們遠(yuǎn)離危險(xiǎn)，在各種惡劣的環(huán)境下都可以平穩(wěn)的工作。給了我們不一樣的收獲。因?yàn)閷C(jī)械手的認(rèn)知，崇拜，我對機(jī)械手未來的發(fā)展充滿的希望。所有我以老師給的這篇上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主題來發(fā)表我的一些感慨，通過計(jì)算數(shù)據(jù)與對機(jī)械手的介紹給自己一個(gè)完美的答復(fù)。
機(jī)械手本身的要求不高，但是因?yàn)樗某杀靖?，專用的機(jī)械手適用范圍還少，它的限制性大大的增加。只有可以改變程序的機(jī)械手才能適應(yīng)小批量的要求。因此，對于有特殊用途的場合，我們得制造出專用的機(jī)械手，來解決這個(gè)問題，這樣可以提高產(chǎn)品的成本。
機(jī)械手的特點(diǎn)：
a對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng) 能代替人從事危險(xiǎn)，侵害的工作。在長時(shí)間工作對人體有害的場所，機(jī)械手不受影響，只要判斷出工作環(huán)境的情況來進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，挑揀適用的材料和結(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，等危險(xiǎn)環(huán)境里工作，讓我們遠(yuǎn)離危機(jī)。
b機(jī)械手耐久長，不知道累的特性是我們無法比擬的，它可以把人從勞累的環(huán)境中解放出來，大大的提高了生產(chǎn)的效率，替代了人們長久以來的辛苦勞作，讓我們更加的不用勞累。
c由于機(jī)械手程序的設(shè)定，它動作穩(wěn)定準(zhǔn)確，因此它對產(chǎn)品的質(zhì)量有了遠(yuǎn)超過人們想象的貢獻(xiàn)，它提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，可以避免人為的操作失誤。
d機(jī)械手特點(diǎn)比較靈活多變，通用性比較強(qiáng)，能很好的適應(yīng)產(chǎn)品的不斷變化，以
滿足柔性生產(chǎn)需要.因此采用機(jī)械手最明顯的特點(diǎn)是提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。近年來,隨著大量電子技術(shù)的涌進(jìn)，特別是電子計(jì)算機(jī)的大范圍運(yùn)用，機(jī)器人的研究和生產(chǎn)工藝已經(jīng)作為高科技領(lǐng)域中快速發(fā)展的一個(gè)新行業(yè)，它能促進(jìn)機(jī)械手的發(fā)
2
展，使得機(jī)械手能夠更理想化的表現(xiàn)出應(yīng)有的價(jià)值，讓自動化和機(jī)械化完美穩(wěn)定的結(jié)合。機(jī)械手雖然不像我們?nèi)耸帜菢拥撵`活方便，但它具備了我們沒有的特點(diǎn)，它能不斷的重復(fù)工作，不斷的勞動。它不知道疲倦，不怕任何危險(xiǎn)，能拿起來的東西也比人力沉的多，所以現(xiàn)在機(jī)械手已經(jīng)受到了廣大部門的重視，并且已經(jīng)得到了大范圍的運(yùn)用與投放。 例如：在機(jī)床加工，裝配作業(yè)，勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易于疲勞的工作環(huán)境以及在危險(xiǎn)場合下工作等。
在國內(nèi)，在實(shí)際生產(chǎn)中的工業(yè)機(jī)器人不斷增加，屢見不顯，在計(jì)算機(jī)控制方面也有所運(yùn)用。在國外，計(jì)算機(jī)控制的工業(yè)機(jī)器人占有相當(dāng)大比例的作業(yè)運(yùn)作。帶有各種感覺的智能機(jī)器人正處于研發(fā)階段，相信不久的將來會給我們帶來意想不到的結(jié)果。所以帶有智能化的工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的主要方向，我們應(yīng)為之努力奮斗。
機(jī)械手主要由手部、運(yùn)動機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。為了抓住任何在空間對象的位置和方向,需要六個(gè)自由度。自由是機(jī)器手規(guī)劃的關(guān)鍵參數(shù)。自由度的多少決定了機(jī)械手的靈活性和通用性，它的結(jié)構(gòu)有些復(fù)雜多變,一般專用的機(jī)械手在3個(gè)自由度左右。它的運(yùn)作時(shí)由每個(gè)自由度電機(jī)來控制。它可以通過傳感器感知到的信息來形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制，最后功能促成的編程。
機(jī)械手用于機(jī)床或其他機(jī)器設(shè)備的附加使用裝置，它可以代替人們操作遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的場所，機(jī)械手在鍛造行業(yè)也有更長足的運(yùn)用，它讓鍛造的能力更加完美，改善熱、累等勞動條件。
上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)作方便，它是機(jī)電一體化的設(shè)備，它取代了操作人員的不間斷的取料，增加了效率，降低了勞動強(qiáng)度。學(xué)生在學(xué)習(xí)機(jī)械手的編程和設(shè)計(jì)中可以提高他們的工程素質(zhì)、創(chuàng)新能力、綜合素質(zhì)和實(shí)踐應(yīng)用能力。為此我們要培養(yǎng)出全方位人才來運(yùn)用與研制機(jī)械手。
機(jī)械手誕生很早，最初使用在工業(yè)領(lǐng)域里，之后機(jī)械手行業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)，一發(fā)不可收拾。如火箭升空般突進(jìn)。不斷更新?lián)Q代，其主要經(jīng)歷分為三代：
第一代機(jī)械手主要靠人工進(jìn)行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；需要我們改進(jìn)的東西很多，主要方向是要講制作成本降低，提高工藝精度。第二代機(jī)械手較比之第一代，它具有了人體各種感官模式，讓機(jī)械手更加人性化，自由化。第三代機(jī)械手則能夠獨(dú)立完成各種工程的任務(wù)，它跟電腦完美的結(jié)合，保持了長久的聯(lián)系。性能的改變，它的應(yīng)用領(lǐng)域不斷的擴(kuò)大，現(xiàn)在大范圍的使用在了農(nóng)業(yè)、海洋業(yè)和太空的
4
事業(yè)發(fā)展中。機(jī)械手技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用水平能反映出一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平機(jī)，國內(nèi)外對此都很重視，大量的人才涌進(jìn)這個(gè)行業(yè)，從目前看來機(jī)械手雖然不能像人手那樣的靈活，但它的不知疲勞、不怕危險(xiǎn)的能力讓我們嘗到了甜頭，它的抓舉能力比人手大太多，所以應(yīng)用很廣泛。例如：(1)機(jī)床加工工件的裝卸，普遍性強(qiáng)。(2)在機(jī)械行業(yè)可以組裝零部件(3)可在勞動環(huán)境不好的情況下來代替人的勞動。(4)頂替人在危險(xiǎn)場合的工作。讓人們遠(yuǎn)離危險(xiǎn)，珍愛生命。
1.2 機(jī)械手的分類
⑴ 按機(jī)械手的使用范圍分類
a專用機(jī)械手一般只有固定的程序，它沒有單獨(dú)的控制系統(tǒng)，它是一個(gè)固定的工具，它方便了我們的生產(chǎn)。這個(gè)機(jī)械手結(jié)構(gòu)較為簡易，成本很低，他適用于大部分簡單的生產(chǎn)工程。
b通用機(jī)械手具有程序可變性，和單獨(dú)驅(qū)動的控制系統(tǒng)，它不屬于某種機(jī)器人，能夠單獨(dú)的完成任務(wù)。通用機(jī)械手按照定位和控制方式我們可以分為幾個(gè)類型。簡易型屬于點(diǎn)控制的程序類型。伺服型的是數(shù)字控制類型，有連續(xù)的運(yùn)動軌跡。這種機(jī)械手可以更換，程序我們可以變化，他適用大范圍的中小型生產(chǎn)中。但是運(yùn)動結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，技術(shù)含量高，所以最后造成它的成品很高。
（2）按機(jī)械手的驅(qū)動方式分類
a液壓驅(qū)動機(jī)械手以壓力油進(jìn)行驅(qū)動；
b氣壓驅(qū)動機(jī)械手以壓縮空氣進(jìn)行驅(qū)動；
c電力驅(qū)動機(jī)械手直接用電動機(jī)進(jìn)行驅(qū)動；
d機(jī)械驅(qū)動機(jī)械手是將主機(jī)的動力通過凸輪、連桿、齒輪、間歇機(jī)構(gòu)等傳給機(jī)械手的一種驅(qū)動方式。
（3）按機(jī)械手的比例大小分類
a微型機(jī)械手臂力小于1kg；
b小型機(jī)械手臂力為1．10kg；
c中型機(jī)械手臂力為l0-30kg；
d大型機(jī)械手臂力大于30kg。
綜上所述，可以看出，液壓機(jī)械手種類繁多在國民經(jīng)濟(jì)中的占有重要作用，它可以衡量出一個(gè)國家的工業(yè)發(fā)展水平，它是重要標(biāo)志之一。同世界的工業(yè)大國相比較，我國的液壓工作還是比較的落后，我們應(yīng)大量的發(fā)展這方面的人才，積極面對，穩(wěn)步進(jìn)取，所有以后靠我們這些人才發(fā)展國家，我們應(yīng)該腳踏實(shí)地，放眼未來，我們共同努力讓我國的液壓工業(yè)更上一層樓，步入新的天地。
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沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第二章上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)
第二章上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)生產(chǎn)需求和在操作過程的人性化，機(jī)械手由回轉(zhuǎn)、伸縮、仰俯等結(jié)構(gòu)組成，通過液壓缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手部分的仰俯。在結(jié)構(gòu)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)精簡，從而升高剛度。為降低運(yùn)動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑行摩擦。其結(jié)構(gòu)圖如下2-1。
圖2-1機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖
2.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
根據(jù)工作位置和工作環(huán)境的需要，決定采用圖2-2所示手部。
圖2-2手部
假設(shè)被抓取物件的重量為Q=25N，握力以N表示。
在計(jì)算時(shí)可依照以下三種狀態(tài)來考慮。
第一種狀態(tài)：重力方向垂直紙面向下(即y軸的負(fù)方向)，依靠手指對物件接觸部位的摩擦力F與物件的重力Q相平衡而約束住物件。
第二種狀態(tài)：物件重力方向是z軸的負(fù)方向，依靠兩個(gè)手指下部的斜面托住物件。
第三種狀態(tài)：物件重力方向與x同向或相反，用下邊一個(gè)手指托住物件。
在分析這三種狀態(tài)時(shí)， 首先均假定物件重心與手指夾持中心重合。
注： f ——————物件與手指接觸處的摩擦系數(shù)
——————手指的抓取半角=60 ao
——————手部機(jī)械效率=0.9 h
K ——————安全系數(shù)=1.3 1
K ——————工作情況系數(shù)=1.8 2
第一種狀態(tài)：
(2-1)
(2-2)
第二種狀態(tài)：
（2-3）
（2-4）
第三種狀態(tài)：
（2-5）
（2-6）
經(jīng)比較第二種狀態(tài)時(shí)受力最大，最大活塞桿傳動力= =316.33N 需P 需 2P
2.3 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
手臂是機(jī)械手的舉足輕重的執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部，并帶動它們作空間轉(zhuǎn)動?？渴植克偷娇罩蟹秶鷥?nèi)的任意一點(diǎn)。具備兩個(gè)自由度，左右旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動。
手臂的運(yùn)動由油缸驅(qū)動和傳動機(jī)構(gòu)來促成，工作中直接承受腕部，手部和工件的靜動載荷，而本身運(yùn)動又較多，故受力冗雜。因而，它的組織，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精密度等都直接影響機(jī)械手的工作性能。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單，從而提高剛度。為減少手臂運(yùn)動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。
除此之外，要求機(jī)械手同用性要好，能正好做種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱，制冷；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要設(shè)防塵裝置等。 根據(jù)生產(chǎn)需要做機(jī)械手臂如下圖2-3
圖2-3機(jī)械手臂
2.3.1 缸筒內(nèi)徑的設(shè)計(jì)
液壓缸的負(fù)載推力，液壓缸的理論輸出力F 可按下式計(jì)算:
（2-7）
——活塞的實(shí)際作用力（N）；
——負(fù)載力，一般取0.5-0.7；
——液壓缸機(jī)械效率，一般取0.9；
查表液壓缸的工作壓力，初選；
由公式； （2-8）
查表可選液壓缸的內(nèi)徑D=60mm。
2.3.2 缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
初步選定，按厚壁圓筒計(jì)算公式計(jì)算：
； （2-9）
——缸筒材料的許用應(yīng)力，；
（2-10）
由于缸筒的材料一般要求有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，則選用45 鋼；
由查表得；而知液壓缸為沖擊載荷，
安全系數(shù)n=8，
；
已選
則
初選
則知初選壁厚成立。
綜上所述知道液壓缸
液壓缸壁厚為
2.3.3 缸筒壁厚的驗(yàn)算
額定工作壓力應(yīng)低于一定極限值，以確保安全。
（2-11）
——缸筒材料的屈服強(qiáng)度； ——缸筒外徑; ——缸筒內(nèi)徑；
故可得
則知。
為了避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定工作壓力值應(yīng)于塑性變形壓力有一定的比例范圍
——缸筒發(fā)生塑性變形的壓力；
而
則去
本液壓缸最大工作壓力為，故設(shè)計(jì)選擇的壁厚符合要求。
2.3.4 活塞桿校核計(jì)算
設(shè)定活塞桿的直徑d 為16mm，驗(yàn)證活塞桿的強(qiáng)度。
（2-12）
活塞桿在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下，只受軸向推力或者拉力，
（活塞桿選用45 鋼）
——活塞桿材料的許用壓應(yīng)力；
——活塞桿材料的屈服應(yīng)力；
n ——安全系數(shù)，一般。
故可知，所以滿足工作時(shí)的強(qiáng)度要求。
2.3.5 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
缸蓋用受軸向載荷的螺釘組連接。
工作載荷（N）
(Z=6) (2-13)
則
——剩余預(yù)緊力；
(對于有緊密性要求的連接);
螺釘強(qiáng)度條件：
即
——材料的許用應(yīng)力；
n——安全系數(shù)，取為2；
則選用標(biāo)準(zhǔn)六角螺釘M6。
2.3.6 其它元件的確定
缸蓋的材料：缸蓋本身又是活塞桿的導(dǎo)向套，故缸蓋選用鑄鐵。
活塞的材料：擬定45 鋼。
密封圈的選擇：選用O 型橡膠密封圈，型號為GB3452.1-82。
2.3.7 擺動缸校核計(jì)算
手部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由擺動缸擺動來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)從油孔進(jìn)油時(shí)。推動動片連同軸套一起回轉(zhuǎn)，軸套的端部通過聯(lián)軸器把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞到轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸端部的法蘭盤與手部用螺栓連接，故手部與轉(zhuǎn)套的轉(zhuǎn)動即促成手部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，以便使手部夾持熱鑄件的手指不靠近油缸，此機(jī)械手運(yùn)用了切斷性裝置，減少熱鍛件的熱量對油液的影響，以保證油缸的正常工作和密封。
初步擬定回轉(zhuǎn)油缸的旋轉(zhuǎn)角速度 。需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q 為：
（2-14）
式中：D：回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑（mm）；
d：輸出軸與動片連接處的直徑（mm）；
b：動片寬度（mm）；
：輸出軸的角速度（弧度/秒）。
動片螺釘：
即的
式中:
Q：每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)加鎖緊力（N）；
b：動片的寬度（mm）；
P：回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力（N）；
D：動片外徑，即回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑（mm）；
d：動片與輸出軸配合處得直徑（mm）；
Z：螺釘數(shù)目取為4；
f：被連接件配合面間的摩擦系數(shù)f=0.15.
螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為：
剩余鎖緊力對于要求緊密的連接。
取K=1.6
材料的許用應(yīng)力；
n：安全系數(shù)，n=2；
（mm），
取標(biāo)準(zhǔn)螺釘M4x60.
擺動缸的其它元件：
連接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘悠c輸出軸緊密接觸不留間隙，當(dāng)油腔進(jìn)液壓油時(shí)候，動片受油壓作用，使動片轉(zhuǎn)動。
動片與鋼壁之間，定片與輸出軸之間均采用O 型密封圈進(jìn)行密封，軸與缸蓋處得密封也采用O 型密封圈進(jìn)行密封，以保證不發(fā)生漏油。
2.4 機(jī)械手的仰俯缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
仰俯缸的作用實(shí)現(xiàn)手臂的上下仰俯，要求達(dá)到一定的角度，與臂部的連接通過鉸鏈連接。
在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單，從而提高剛度。為減少手臂運(yùn)動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。
除此之外，要求機(jī)械手同用性要好，能適度的做好作業(yè)的要求；工藝性要好， 便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要設(shè)計(jì)隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手，還要立防塵設(shè)施等。
根據(jù)生產(chǎn)需要和工作要求仰俯伸縮缸的結(jié)構(gòu)下圖2-4
圖2-4 仰俯伸縮缸
2.4.1 缸筒內(nèi)徑的設(shè)計(jì)
液壓缸的負(fù)載推力，液壓缸的理論輸出力F 可按下式計(jì)算:
——活塞的實(shí)際作用力（N）；
——負(fù)載力，一般取0.5-0.7；
——液壓缸機(jī)械效率，一般取0.9；
查表液壓缸的工作壓力，初選
由公式
查表可選液壓缸的內(nèi)徑D=60mm。
2.4.2 缸筒壁厚的設(shè)計(jì)
初步選定=0.3，按厚壁圓筒計(jì)算公式計(jì)算：
——缸筒材料的許用應(yīng)力，
由于缸筒的材料一般要求有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性，則選用45 鋼；
由表查得而知液壓缸為沖擊載荷，
安全系數(shù)n=8，
則
初選
由表查得
則知初選壁厚成立。
綜上所述知道液壓缸=75mm，
液壓缸壁厚為
2.4.3 缸筒壁厚的驗(yàn)算
額定工作壓力n P 應(yīng)低于一定極限值，以確保安全。
——缸筒材料的屈服強(qiáng)度； ——缸筒外徑；D ——缸筒內(nèi)徑；
故可得
則知
為了避免缸筒在工作時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定工作壓力 值應(yīng)于塑性變形壓力有一定的比例范圍
——缸筒發(fā)生塑性變形的壓力；
而
則去
本液壓缸最大工作壓力為1.8MPa，故設(shè)計(jì)選擇的壁厚符合要求。
2.4.4 活塞桿校核計(jì)算
設(shè)定活塞桿的直徑d 為16mm，驗(yàn)證活塞桿的強(qiáng)度。
（活塞桿選用45 鋼）
——活塞桿材料的許用壓應(yīng)力（）；
——活塞桿材料的屈服應(yīng)力（）；
n ——安全系數(shù)，一般n 3 1.4。
故可知，所以滿足工作時(shí)的強(qiáng)度要求。
2.4.5 缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
缸蓋用受軸向載荷的螺釘組連接。
工作載荷（N）
則
——剩余預(yù)緊力；
(對于有緊密性要求的連接);
；
螺釘強(qiáng)度條件：
即
則選用標(biāo)準(zhǔn)六角螺釘M6。
2.4.6 大臂和小臂機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)計(jì)算
小臂擺動采用鉸接的雙作用活塞油缸推動杠桿支架而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)油缸的上下兩腔分別進(jìn)壓力油時(shí)，活塞桿做往復(fù)運(yùn)動，帶動杠桿支架繞O軸作90度的擺動，為了減少摩擦在軸的兩端安裝單列軸承。簡圖如圖1.1
對小臂伸縮竿的安全性進(jìn)行校核：
⑴ 分析桿的受最大力時(shí)的位置
當(dāng)小臂伸到最長時(shí)的受力最大，受最大的偏重彎矩。
⑵ 計(jì)算各部分的重力G。
G=mg=
其中：m —質(zhì)量單位kg；
g—重力加速度單位取g=9.8 m/s2；
V—工件的體積單位m3；
ρ—材料密度單位kg/m3,取密度為7800kg/m3；
G—重力單位N。
? 待加工件
m=50kg
G=mg=50′9.8=490N
?手部
V=3.14′ 252 ′48′4 + (120′150 -110′80)′150
=1500000 3 mm =0.0015 3 m
G= =0.0015 ′ 7800 ′ 9.8
=114.66N
?夾緊油缸
3.14 75 30 2 3.14 (60 40 ) 110 3.14 40 40 2 2 2 2 V = ′ ′ ′ + ′ - ′ + ′ ′
=2000000 3 mm
=0.002 3 m
G = =0.002 ′ 7800 ′ 9.8
=152.88N
④ 橫移機(jī)構(gòu)
V=35×30×115×2+60×20×115×2+20×100×115+60×25×165×2+30×20×165×2+120×25×165+3 .14×20×402+3.14×152×100+3.14×(252-202)×100×2+3.14×402×40×2
=2415000+2760000+495000+198000+495000+100531+70686
=2650213mm3
=0.0027m3
G==0.0027×7800×9.8
=206.39N
⑶ 簡化力學(xué)模型
如圖3.1受力簡圖
圖3.1 受力簡圖
伸縮桿所受的彎矩如圖3.2。
圖3.2 彎矩圖
伸縮桿的截面如圖3.3。
圖3.3 伸縮桿截面圖
伸縮桿材料采用45號鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其硬度為217~255HBS屈服限[σ]=60MPa
計(jì)算抗彎截面系數(shù)W
=343437.5mm3
所以伸縮桿受到的彎曲應(yīng)力為
所以伸縮桿安全大臂的擺動也采用鉸接的雙作用活塞油缸，推動大臂杠桿實(shí)現(xiàn)。
2.4.7其它元件的確定
缸蓋的材料：缸蓋本身又是活塞桿的導(dǎo)向套，故缸蓋選用鑄鐵。
活塞的材料：擬定45 鋼。
密封圈的選擇：選用O 型橡膠密封圈，型號為GB3452.1-82。
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沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第三章液壓系統(tǒng)傳動方案的確定
第三章液壓系統(tǒng)傳動方案的確定
3.1 各液壓缸的換向回路
除驅(qū)動料架回轉(zhuǎn)的鉸接活塞油缸采用二位四通電磁滑閥外，其余各油缸均采用三位四通電磁滑閥控制。在系統(tǒng)的回油路設(shè)置了單向閥，使系統(tǒng)在油泵停止工作時(shí)，不致使油液流空而進(jìn)入空氣，以保證起動平穩(wěn)。
3.2 調(diào)速方案
整個(gè)液壓系統(tǒng)應(yīng)采用O型結(jié)構(gòu)，O形密封圈具有結(jié)構(gòu)簡單，密封好，摩擦力較小的特點(diǎn)，為了保證密封性能，安裝O形密封圈的溝槽尺寸和表面光潔度應(yīng)符合要求，可查閱“機(jī)械設(shè)計(jì)手冊”。使用O形密封圈的相對運(yùn)動的配合表面。
機(jī)械手的手臂仰俯采用兩個(gè)單向節(jié)流調(diào)速閥來實(shí)現(xiàn)，則進(jìn)油達(dá)到最大允許速度來調(diào)節(jié)，當(dāng)無桿腔進(jìn)油時(shí)，其速度就減少于最大允許速度，但仍然符合設(shè)計(jì)要求。
在一般情況下的各個(gè)部位是分別動作的，我們可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可以選擇雙泵供油系統(tǒng)。 小臂擺動采用鉸接的雙作用活塞油缸推動杠桿支架而實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)油缸的上下兩腔分別進(jìn)壓力油時(shí)，活塞桿做往復(fù)運(yùn)動，帶動杠桿支架繞O軸作90度的擺動，為了減少摩擦在軸的兩端安裝單列軸承。由于大小手臂在擺動時(shí)，要克服阻力力矩（包括偏重力矩，慣性力矩，摩擦力矩），要求驅(qū)使大小臂的油缸能產(chǎn)生足夠的驅(qū)動力。但在大小臂向下擺動時(shí)，大小臂和工件的重力使大小臂加速下擺，如果液壓系統(tǒng)或油缸采用相應(yīng)措施,大前臂到終點(diǎn),將產(chǎn)生很大的沖擊，為了防止此想象的發(fā)生又不至使液壓系統(tǒng)復(fù)雜，而在大小手臂活塞油缸的端蓋上，設(shè)置了緩沖節(jié)流小孔和帶三角節(jié)流槽的柱塞。
單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需求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作時(shí)，系統(tǒng)的溢流損失較大，能源利用較低，對于系統(tǒng)功率較小的場合是可取的。 雙供油系統(tǒng)，它在需要大流量動作的缸運(yùn)動時(shí)，雙泵同時(shí)為其供油，在需小流量動作液壓缸動作時(shí)，則用小流量泵供油，而大流量泵低壓卸荷，雙泵供油系統(tǒng)避免了溢流損失過大，而可以用雙泵代替單泵，其優(yōu)點(diǎn)與單泵供油系統(tǒng)相反。
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沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章液壓元件
第四章液壓元件
4.1 閥的應(yīng)用
4.1.1 壓力控制閥
壓力控制閥(簡稱壓力閥)它的作用主要是控制系統(tǒng)中油液的壓力，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手執(zhí)行所需要的輸出力(或力矩)。這類閥包括溢流閥、液壓閥、安全閥和壓力繼電器等。
4.1.2 流量(速度)控制閥
流量(速度)控制閥(流量閥)它的作用主要使控制液壓系統(tǒng)中油液流量的大小，用來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)所要求的運(yùn)動速度，如節(jié)流閥、調(diào)速閥。
控制系統(tǒng)也包含著以下概括：該機(jī)械手所以其任務(wù)單一，結(jié)構(gòu)比較簡單。為經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)省成本起見，設(shè)計(jì)繼電器-接觸器控制系統(tǒng)作為該機(jī)械手自動控制方案之一。
但是，傳統(tǒng)的機(jī)械手的自動化控制通常采用繼電器控制系統(tǒng)。但是繼電器控制系統(tǒng)的控制電路要使用大量的控制電器，其致命的缺點(diǎn)是，如果工件稍有改變，控制電路必須隨之相應(yīng)的改變，耗時(shí)且費(fèi)力。而且，由于器件的老化、脫焊、觸電的抖動以及出典電弧等現(xiàn)象不可避免的，大大降低了系統(tǒng)的可靠性。
隨著工業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，更加智能、高效、可靠的機(jī)械手越來被青睞。采用PLC控制系統(tǒng)的的機(jī)械手就是其中之一。所以機(jī)械手自動控制的第二套方案采用PLC控制系統(tǒng)。經(jīng)過比較，日本歐姆龍公司生產(chǎn)的PLC，具有下列幾個(gè)特點(diǎn)：功能強(qiáng)大；編程語言是梯形圖和語句表并重，編程簡單，易掌握；特殊功能模塊和智能模塊品種多，使用方便；PLC的網(wǎng)絡(luò)配置簡單、實(shí)用、造價(jià)底；具有明顯的價(jià)格優(yōu)勢及良好的售后服務(wù)系統(tǒng)。在小型機(jī)領(lǐng)域很受歡迎。所以選擇其OMRON公司的CPM1A系列PLC做為該機(jī)械手的自動控制系統(tǒng)。
4.1.3 泵
⑴ 油泵的啟動過程
在上料機(jī)械手進(jìn)行調(diào)整和自動工作之前，先啟動油泵電機(jī)，過程如下：按下啟動按鈕QA,使交流接觸器C通電，其常開觸點(diǎn)c閉合進(jìn)行自鎖和將油泵電機(jī)電路接通，油泵電機(jī)回轉(zhuǎn)帶動油泵向液壓系統(tǒng)供油。TA是油泵電機(jī)停止按鈕。
⑵ 手動控制過程
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如開關(guān)置于手動位置，分別按下啟動按鈕1QA~11QA，使換向閥的電磁鐵1DT~DT分別通電控制上料機(jī)械手各油缸動作，以實(shí)現(xiàn)手指的夾放，手腕左右橫移，小臂伸縮和上下擺動，大手臂上下擺動及料架轉(zhuǎn)位等獨(dú)立的調(diào)整工作。
4.2 閥類的選擇原則
閥類的選擇原則是根據(jù)閥門的流量，工作壓力及要求的通路等因素結(jié)合產(chǎn)品的規(guī)格型號進(jìn)行選取。 上料機(jī)械手的各個(gè)運(yùn)動部分均由液壓直接驅(qū)動。因該機(jī)械手要抓取重40~50公斤的舉升油缸，故要求有足夠大的握力，所以采用了雙聯(lián)葉片泵YB1 6.3/16 –5/16，利用5公升/分的小流量泵對機(jī)械手手指夾緊油缸單獨(dú)供油，這樣可以排除其它油缸對手指夾緊有剛油缸的干擾。驅(qū)動油泵的電機(jī)功率為5.5千瓦。除驅(qū)動料架回轉(zhuǎn)的鉸接活塞油缸采用二位四通電磁滑閥外，其余各油缸均采用三位四通電磁滑閥控制。選擇適當(dāng)?shù)挠透坠ぷ鲏毫κ莻€(gè)很重要的問題。如果已有現(xiàn)成的油泵可用，就應(yīng)選擇現(xiàn)成的油泵使用。這時(shí)，所選擇的油缸工作壓力p要比油泵的額定壓力低一些，使油缸工作鏜深孔專業(yè)機(jī)床上料機(jī)械手 壓力的液壓系統(tǒng)的壓力損失之和不超過泵的額定壓力。如果沒有現(xiàn)成的泵，而是要按油缸工作壓力來選擇油泵，那就要從結(jié)構(gòu)尺寸、經(jīng)濟(jì)性等方面來全面考慮。一般來說，油缸壓力p選擇高,可以減少缸直徑的大小和其他執(zhí)行器,機(jī)械臂結(jié)構(gòu)緊湊,但是應(yīng)該選擇更昂貴的高壓油泵和高壓力控制閥,并使密封裝置復(fù)雜化；若油缸壓力選低些，就會增大油缸內(nèi)徑及其它執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸，將使手臂結(jié)構(gòu)龐大，但是可簡化封閉裝置。
4.3 液壓系統(tǒng)中的輔助裝置
a油管有紫銅管、塑料管、尼龍管和軟管等，應(yīng)根據(jù)油管的壓力，流量、裝置條件和工作部位等不同進(jìn)行選取。紫銅管彎曲較方便，容易裝配，承受壓力65 -100公斤/厘米以下，對機(jī)械手來說一般還是夠用的，故采用較多。橡皮管多用于高壓和有相對運(yùn)動的部件上較為方便。尼龍和塑料管己逐漸廣泛采用。尼龍管跟其他管不同，它可以用于高壓等環(huán)境?？梢杂糜谟邢鄬\(yùn)動的部件上，方便實(shí)用。
b管接頭在所有的管路中應(yīng)該采用管接頭來連接管路，但要注意管于管之間的緊湊、美觀、整潔平齊。有的油缸中，如果外部有很多的軟輸油管，就會大大的機(jī)械手運(yùn)動，很容易損壞油管。因此，我們常常把液壓操作板上的油管遠(yuǎn)離手部處集中輸入，然后利用結(jié)構(gòu)的各種特點(diǎn)在油缸或活塞桿等內(nèi)部將油液輸向手部的動作油缸內(nèi)。
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c濾油器它的主要作用是慮油，以保證油液的清潔，防止各個(gè)工件之間發(fā)生摩擦導(dǎo)致堵塞管道和管路小孔，從而影響到了工作生產(chǎn)。網(wǎng)式過濾器的結(jié)構(gòu)比較的單一，清洗方便，通用性好。但慮油強(qiáng)度強(qiáng)度較大，抗腐蝕性能較好，制造較簡單，過濾精度較高，可是一旦本身的顆粒有脫落，則會影響過濾精度。
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沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 結(jié)論
結(jié)論
經(jīng)過此次設(shè)計(jì)，對在大學(xué)里所學(xué)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識有了更深的理解，在設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用到很多知識，讓我對所學(xué)的內(nèi)容又一次得到復(fù)習(xí)和鞏固，在趙老師的耐心指導(dǎo)下，經(jīng)過查閱大量的書籍材料，把以前的知識進(jìn)行歸納和總結(jié)，運(yùn)用到了設(shè)計(jì)當(dāng)中。
本篇設(shè)計(jì)的機(jī)械手綜合和運(yùn)用了機(jī)械零件、材料力學(xué)、機(jī)械原理、金屬工藝學(xué)、熱處理、技術(shù)測量、機(jī)械制圖等知識，它主要是應(yīng)用在那些單調(diào)、頻繁的操作中用以代替人的勞動進(jìn)行工作。而機(jī)械手技術(shù)本身又是促進(jìn)工業(yè)實(shí)現(xiàn)高度自動化的先導(dǎo)技術(shù)，對國民經(jīng)濟(jì)和社會生活都產(chǎn)生很大的影響。
初次進(jìn)行這么系統(tǒng)和大量的設(shè)計(jì)，難免有很多不周到的地方，存在一些錯(cuò)誤，希望能在以后的工作過程中得到更好的學(xué)習(xí)，以有能力實(shí)現(xiàn)減少錯(cuò)誤，達(dá)到高技術(shù)。
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沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn)
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沈陽化工大學(xué)科亞學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 致謝
致謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)之所以能夠圓滿完成，首先感謝老師的悉心指導(dǎo)，她在百忙之中抽出時(shí)間來耐心指導(dǎo)我們，讓我在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中走了很多的彎路，讓我能及時(shí)改正自己錯(cuò)誤的地方。經(jīng)過此次畢業(yè)設(shè)計(jì)我感受到了知識淵博的重要性，對此我要認(rèn)真的檢討一下，向老師學(xué)習(xí)。
在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，我跟同學(xué)們一起認(rèn)真的探討專業(yè)上的疑問，使自己在知識上理解更加的深透，更全面。同學(xué)們之間的互幫互助讓我懂得了團(tuán)隊(duì)的力量是無窮的。在以后社會上要團(tuán)結(jié)合作，把握每一次合作的機(jī)會。在此感謝同學(xué)們。
感謝學(xué)校讓我們有了這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會，讓我們更加懂得了堅(jiān)持不懈努力是成功的前提。讓我們知道了團(tuán)結(jié)互助的重要性。讓我在堅(jiān)持中完成了此次畢業(yè)任務(wù)。
最后感謝所有在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中幫助我的人。
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