機(jī)械手設(shè)計(jì).doc

第一章 緒論1.1課題研究的目的及意義隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場(chǎng)合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。例如，目前在我國的許多中小型汽車生產(chǎn)以及輕工業(yè)生產(chǎn)中，往往沖壓成型這一工序還需要人工上下料，既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，又影響效率。為此，我們把上下料機(jī)械手作為我們研究的課題。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)物流自動(dòng)化中上網(wǎng)重要裝置之一，是當(dāng)今世界新技術(shù)革命的一個(gè)重要標(biāo)志。工業(yè)機(jī)械手是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。工業(yè)機(jī)械手的產(chǎn)生和推廣是社會(huì)生產(chǎn)和發(fā)展的需要，也是現(xiàn)代生產(chǎn)和科技發(fā)展的新技術(shù)產(chǎn)品。工業(yè)機(jī)械手已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)、資源開發(fā)、社會(huì)服務(wù)、排險(xiǎn)救災(zāi)以及軍事技術(shù)等方面發(fā)揮著愈來愈大的應(yīng)用。 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用和推廣已經(jīng)并將獲得極大的效益。例如在機(jī)械制造工業(yè)、汽車工業(yè)等生產(chǎn)中采用電焊、弧焊、噴漆等機(jī)械手，可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件。又如在微電子、醫(yī)藥等生產(chǎn)部門，采用機(jī)械手操作，可以消除人對(duì)產(chǎn)品的污染、確保產(chǎn)品質(zhì)量。機(jī)械手可以在有毒、噪音、高溫、易燃、易爆等危險(xiǎn)有害的環(huán)境中代替人長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作，從根本上解決了操作者的安全保障問題。因而在這方面應(yīng)用和推廣機(jī)器人技術(shù)是十分迫切和必要的。近代工業(yè)機(jī)械手的原型可以從本世紀(jì)40代算起。當(dāng)時(shí)適應(yīng)核技術(shù)的發(fā)展需要開發(fā)了處理放射性材料的主從機(jī)械手。50年代初美國提出了“通用重復(fù)操作機(jī)器人”的方案，59年研制出第一工業(yè)機(jī)械手原型。由于歷史條件和技術(shù)水平關(guān)系，在60年代機(jī)械手發(fā)展較慢。進(jìn)入70年代后，焊接、噴漆機(jī)械手相繼在工業(yè)中應(yīng)用和推廣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、人工智能的發(fā)展、機(jī)械手技術(shù)得到迅速發(fā)展，出現(xiàn)了更為先進(jìn)的可配視覺、觸覺的機(jī)器人所應(yīng)用的機(jī)械手。如美國unimation公司puma系列工業(yè)機(jī)器人相關(guān)的機(jī)械手，即使由直流伺服驅(qū)動(dòng)、關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)、多cpu微機(jī)控制、采用專用語言編程的技術(shù)先進(jìn)的機(jī)械手。到了80、90年代機(jī)器人及相關(guān)的機(jī)械手開始在工業(yè)上普及應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)1980年全世界約有兩萬臺(tái)機(jī)器人在工業(yè)上應(yīng)用，而到今年 增長(zhǎng)更快。今年已近開發(fā)出具有視覺、觸覺及力覺感受的高性能機(jī)器人以及各種智能裝配機(jī)械手，并投入工業(yè)應(yīng)用。1.2國內(nèi)外機(jī)械手研究概況我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手工業(yè)機(jī)械手是在第二次世界大戰(zhàn)期間發(fā)展起來的，始于40年代的美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，它是一種主從型的控制系統(tǒng)。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。它的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的；1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上，又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲(chǔ)存裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；普曼公司專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)：聯(lián)邦德國k公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的國家，自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，主要用于機(jī)械化、自動(dòng)化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺(tái)機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)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(jī)器人，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器，dcpwm等等。計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等?？梢詫C(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓式.氣動(dòng)式.電動(dòng)式.機(jī)械式機(jī)械手;按適用范圍可以分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡可以分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。1.3課題研究的內(nèi)容本課題將要完成的主要任務(wù)如下：(1)選取合適的曲軸，并確定其特征參數(shù)；(2)選取機(jī)械手的坐標(biāo)型式和自由度；(3)設(shè)計(jì)出機(jī)械手的各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括：手部、手腕、手臂等部件的設(shè)計(jì)；(4)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本課題將設(shè)計(jì)出機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，包括液動(dòng)元器件的選取，液動(dòng)回路的設(shè)計(jì)；1.4機(jī)械手的組成工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人的執(zhí)行系統(tǒng)，由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成，是抓取工件、進(jìn)行操作及各種運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件。(一)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部 、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)。1、 手部手部裝在操作機(jī)手腕的前端，它是操作機(jī)直接執(zhí)行工作的裝置。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運(yùn)動(dòng)形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但平移型手指夾持圓形零件時(shí)，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內(nèi)孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、v形面的和曲面的:手指有外夾式和內(nèi)撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機(jī)構(gòu)型式較多，常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。吸附式手部主要由吸盤等構(gòu)成，它是靠吸附力(如吸盤內(nèi)形成負(fù)壓或產(chǎn)生電磁力)吸附物件，相應(yīng)的吸附式手部有負(fù)壓吸盤和電磁盤兩類。對(duì)于輕小片狀零件、光滑薄板材料等，通常用負(fù)壓吸盤吸料。造成負(fù)壓的方式有氣流負(fù)壓式和真空泵式。對(duì)于導(dǎo)磁性的環(huán)類和帶孔的盤類零件，以及有網(wǎng)孔狀的板料等，通常用電磁吸盤吸料。電磁吸盤的吸力由直流電磁鐵和交流電磁鐵產(chǎn)生。用負(fù)壓吸盤和電磁吸盤吸料，其吸盤的形狀、數(shù)量、吸附力大小，根據(jù)被吸附的物件形狀、尺寸和重量大小而定。此外，根據(jù)特殊需要，手部還有勺式(如澆鑄機(jī)械手的澆包部分)、托式(如冷齒輪機(jī)床上下料機(jī)械手的手部)等型式.2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物件的方位。3、手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定的位置.工業(yè)機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、螺旋機(jī)構(gòu)和凸輪機(jī)構(gòu)等)與驅(qū)動(dòng)源(如液壓、氣壓或電機(jī)等)相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。手臂在進(jìn)行伸縮或升降運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止繞其軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)，都需要有導(dǎo)向裝置，以保證手指按正確方向運(yùn)動(dòng)。此外，導(dǎo)向裝置還能承擔(dān)手臂所受的彎曲力矩和扭轉(zhuǎn)力矩以及手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)在啟動(dòng)、制動(dòng)瞬間產(chǎn)生的慣性力矩，使運(yùn)動(dòng)部件受力狀態(tài)簡(jiǎn)單。導(dǎo)向裝置結(jié)構(gòu)形式，常用的有:單圓柱、雙圓柱、四圓柱和v形槽、燕尾槽等導(dǎo)向型式。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立往通常為固定不動(dòng)的，但因工作需要，有時(shí)也可作橫向移動(dòng)，即稱為可移式立柱。5、機(jī)座機(jī)座是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分，機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支撐和連接的作用。(二)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)工業(yè)機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力裝置，通常由動(dòng)力源、控制調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)、電力傳動(dòng)和機(jī)械傳動(dòng)。第二章 機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)械手總體設(shè)計(jì)圖（proe效果圖）2.1機(jī)械手的座標(biāo)型式與自由度2.1.1座標(biāo)型式分析按機(jī)械手手臂的不同運(yùn)動(dòng)形式及其組合情況，其座標(biāo)型式可分為直角座標(biāo)式、圓柱座標(biāo)式、球座標(biāo)式和關(guān)節(jié)式。由于本機(jī)械手在上下料時(shí)手臂具有升降、收縮及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此，采用圓柱座標(biāo)型式。2.1.2自由度分析相應(yīng)的機(jī)械手具有三個(gè)自由度，即手臂的伸長(zhǎng)、縮短和整體旋轉(zhuǎn)。 圖2-1機(jī)械手的手指、手腕、手臂的運(yùn)動(dòng)示意圖2.1.2 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)為 了使 機(jī) 械手的通用性更強(qiáng)，把機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時(shí)，使用夾持式手部;當(dāng)工件是板料時(shí)，使用氣流負(fù)壓式吸盤。2.13 機(jī)械手的手腕結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)考慮 到 機(jī) 械手的通用性，同時(shí)由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計(jì)成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。2.14 機(jī)械手的手臂結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)按照 抓 取 工件的要求，本機(jī)械手的手臂有三個(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降(或俯仰)運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的，立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫移。手臂的各種運(yùn)動(dòng)由氣缸來實(shí)現(xiàn)。2.5 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分, 工業(yè)機(jī)械手的性能價(jià)格比在很大程度上取決于驅(qū)動(dòng)方案及其裝置。根據(jù)動(dòng)力源的不同, 工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣動(dòng)、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)。因此，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方案選擇液壓驅(qū)動(dòng)。2.6 機(jī)械手的控制方案設(shè)計(jì)考慮到機(jī)械手的通用性，同時(shí)使用點(diǎn)位控制，因此我們采用可編程序控制器 (plc)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。當(dāng)機(jī)械手的動(dòng)作流程改變時(shí)，只需改變plc程序即可實(shí)現(xiàn)，非常方便快捷。2.7 機(jī)械手的主要參數(shù)1、主參數(shù)機(jī)械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，目前機(jī)械手最大抓重以10公斤左右的為數(shù)最多。故該機(jī)械手主參數(shù)定為10公斤，高速動(dòng)作時(shí)抓重減半。使用吸盤式手部時(shí)可吸附5公斤的重物。2、基本參數(shù)運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對(duì)機(jī)械手速度提出了要求，設(shè)計(jì)速度過低限制了它的使用范圍。而影響機(jī)械手動(dòng)作快慢的主要因素是手臂伸縮的速度。該機(jī)械手最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)為1.2m/s，最大回轉(zhuǎn)速度設(shè)計(jì)為1200/s，平均移動(dòng)速度為lm/s，平均回轉(zhuǎn)速度為900/s。除了運(yùn)動(dòng)速度以外，手臂設(shè)計(jì)的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機(jī)械手設(shè)計(jì)成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動(dòng)操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動(dòng)傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計(jì)和比較，該機(jī)械手手臂的伸縮行程定為600mm,最大工作半徑約為1500mm，手臂安裝前后可調(diào)200mm。手臂回轉(zhuǎn)行程范圍定為2400(應(yīng)大于180否則需安裝多只手臂)，又由于該機(jī)械手設(shè)計(jì)成手臂安裝范圍可調(diào)，從而擴(kuò)大了它的使用范圍。手臂升降行程定為150mm。定位精度也是基本參數(shù)之一。該機(jī)械手的定位精度為土0.5lmm2.8機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途:簡(jiǎn)單搬運(yùn)二、設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù):為了保證這些參數(shù)指標(biāo)，就需要在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求、認(rèn)真分析機(jī)械動(dòng)力特性，選擇良好的結(jié)構(gòu)型式，使機(jī)械手具有良好的工作性能。1、抓重（用來表示機(jī)器人負(fù)荷能力的參數(shù)，抓取重量與機(jī)器人的運(yùn)行速度有關(guān)，通常用最大速度時(shí)腕部最大負(fù)荷（n）表示。）30公斤 (夾持式手部)2、自由度數(shù)(說明腰、臂、腕等共有幾個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度。)4個(gè)自由度3、座標(biāo)型式圓柱座標(biāo)4、最大工作半徑1500mm5、手臂最大中心高1380mm6、手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)伸縮行程 400mm伸縮速度 小于300mm/s升降行程 300mm升降速度 小于70mm/s回轉(zhuǎn)范圍 0 240 回轉(zhuǎn)速度小于90/s 7、手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù) 回轉(zhuǎn)范圍: 8、系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.030.5s9、手指夾持范圍棒料 : 80150mm10、驅(qū)動(dòng)方式液壓傳動(dòng)（采用液壓驅(qū)動(dòng)，其具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)、操作簡(jiǎn)單、安全、經(jīng)濟(jì)、易于實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)且液壓元件能夠自行潤滑等一系列優(yōu)點(diǎn)。）第三章 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1 手部設(shè)計(jì)基本要求（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。應(yīng)當(dāng)考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。（2） 手指應(yīng)具有一定的張開范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度），以便于抓取工件。（3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。（4） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。3.2 典型的手部結(jié)構(gòu)（1） 回轉(zhuǎn)型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。（2） 移動(dòng)型 移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（3）平面平移型。3.3機(jī)械手手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算3.3.1選擇手抓的類型及夾緊裝置本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，考慮到所要達(dá)到的原始參數(shù)：手抓張合角=，夾取重量為60kg。常用的工業(yè)機(jī)械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動(dòng),這種手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅(qū)動(dòng)力需加在手指移動(dòng)方向上,這樣會(huì)使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。通過綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇二指回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿這種結(jié)構(gòu)方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機(jī)械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機(jī)械手手指張開。3.3.2 手抓的力學(xué)分析下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：滑槽杠桿 圖3.1（a）為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。(a) (b)上圖為滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)、受力分析如圖所示為連桿式手部結(jié)構(gòu)。作用在拉桿上的驅(qū)動(dòng)力3為f，兩連桿2對(duì)拉桿反作用力為f1、f2，其力的方向沿連桿兩鉸鏈中心的連線，指向o點(diǎn)并與水平方向成角，由拉桿的力平衡條件可知，即 fx=0,f1=f2;fy=0 由連桿對(duì)手指的作用力為f1且=0得： f= （3.1）式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離（mm）. 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=。3.3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部的主要依據(jù)。必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力可按公式計(jì)算： （3.2）式中 安全系數(shù)，通常1.22.0； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度； 運(yùn)載時(shí)工件最大上升速度，本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動(dòng)速度為500毫米/秒，移動(dòng)加速度為1000毫米/秒 系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般選取0.030.5s 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇。 g被抓取工件所受重力（n）。表3-1 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力f（n）液壓缸工作壓力mpa作用在活塞上外力f（n）液壓缸工作壓力mpa小于500050000以上計(jì)算：設(shè)a=50mm,b=100mm,;機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時(shí)間為0.5s，求夾緊力和驅(qū)動(dòng)力和 驅(qū)動(dòng)液壓缸的尺寸。(1) 設(shè) =1+1000/98101.1 根據(jù)公式，將已知條件帶入： = （2）根據(jù)驅(qū)動(dòng)力公式得（上頁已得出公式）： （3）式中 手部的機(jī)械效率，一般取0.850.95；本設(shè)計(jì)取 （4）確定液壓缸的直徑d 選取活塞桿直徑d=0.5d,選擇液壓缸壓力油工作壓力p=0.81mpa,取p=0.8mpa 根據(jù)表4.1（jb826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：d=40mm則活塞桿內(nèi)徑為:d=400.5=20mm，選取d=20mm3.3.4 手抓夾持范圍計(jì)算為了保證手抓張開角為，活塞桿運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為34mm。手抓夾持范圍，手指長(zhǎng)100mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時(shí)候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開時(shí)，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計(jì)算如下： 機(jī)械手的夾持半徑從（a） (b)圖3.2 手抓張開示意圖3.4 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確,抓取精度高,重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。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)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，一定進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差。圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設(shè)計(jì)以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持范圍為80mm150mm。一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長(zhǎng),取v型夾角偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：計(jì)算 當(dāng)s時(shí)帶入有：夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。3.5彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇簧彈是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計(jì)算如下。圖3.4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)(1).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力(2).選擇旋繞比c=8，則 （3.3）(3).根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑d=42mm，估算彈簧絲直徑 (4).試算彈簧絲直徑 （3.4）(5). 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3.5）選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈(6).最后確定，(7).對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算 對(duì)于壓縮彈簧如果長(zhǎng)度較大時(shí)，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長(zhǎng)細(xì)比，本設(shè)計(jì)彈簧是2端自由，根據(jù)下列選?。?當(dāng)兩端固定時(shí)，,當(dāng)一端固定；一端自由時(shí)，；當(dāng)兩端自由轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，。結(jié)論本設(shè)計(jì)彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。(8).疲勞強(qiáng)度和應(yīng)力強(qiáng)度的驗(yàn)算。對(duì)于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進(jìn)一步對(duì)彈簧的疲勞強(qiáng)度和靜應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時(shí)，可只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算）。現(xiàn)在由于本設(shè)計(jì)是在恒定載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。計(jì)算公式： （3.6）選取1.31.7（力學(xué)性精確能高） （3.7）結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。 3.6 本章小結(jié)通過本章的設(shè)計(jì)計(jì)算，先對(duì)滑槽杠桿式的手部結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，然后分別對(duì)滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，在滿足基本要求后，對(duì)手部的夾持精度進(jìn)行分析計(jì)算。4 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求（1） 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。（3） 必須考慮工作條件對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。4.2 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇4.2.1典型的腕部結(jié)構(gòu)(1) 具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩m，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用。回轉(zhuǎn)角由動(dòng)片和靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于）。(2) 齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動(dòng)的兩個(gè)自由度。(4) 機(jī)-液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)。4.2.2 腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動(dòng)。4.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 夾取工件重量30kg，4.3.2 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算（1） 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩需要的力矩。夾取棒料直徑100mm，長(zhǎng)度600mm，重量30kg，當(dāng)手部回轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)算 力矩：（1） 手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算g=3.14（2） 擦力矩。（3） 啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。 （4.1）查工程力學(xué)取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式有：代入： 4.3.3 腕部驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（jb826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設(shè)缸體內(nèi)空半徑r=110mm，外徑根據(jù)表3-2選擇121mm,這個(gè)是液壓缸壁最小厚度，考慮到實(shí)際裝配問題后，其外徑為226mm；動(dòng)片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4.1所示。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力，選擇8mpa圖4.1 腕部液壓缸剖截面結(jié)構(gòu)示意表4.2 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（jb1068-67） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 5063809010011012514015016018020020鋼p5060769510812113316814618019421924545鋼506076951081211331681461801942192454.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算圖4.2 缸蓋螺釘間距示意表4.3 螺釘間距t與壓力p之間的關(guān)系工作壓力p（mpa）螺釘?shù)拈g距t(mm)小于150小于120小于100小于80缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算，如圖4.2所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強(qiáng)有關(guān)，見表4.3，在這種聯(lián)結(jié)中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉力 （4.2）計(jì)算：液壓缸工作壓強(qiáng)為p=8mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個(gè)螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適z=8個(gè) 危險(xiǎn)截面 (4.3) 所以 =11863.3+10545=19772n螺釘材料選擇q235，（）螺釘?shù)闹睆?（4.4）螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.4.3.5動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘（1） 動(dòng)片和輸出軸間的連接螺釘動(dòng)片和輸出軸之間的連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱安裝，并用兩個(gè)定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘?dòng)片和輸出軸之間的配合緊密。 于是得 (4.5)d動(dòng)片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對(duì)銅取f=0.15螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 (4.6)或 (4.7)帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得螺釘材料選擇q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12mm.選擇m12的開槽盤頭螺釘。第五章 搬運(yùn)機(jī)械手液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)