R175型柴油機機體加工自動線上用多功能液壓機械手設(shè)計.doc

第1章 概述機械手是模仿人手的部分動作，按給定程序、軌跡、和要求實現(xiàn)自動抓取，搬運或操作動作的自動化機械裝置。在工業(yè)中應(yīng)用的機械手稱為“工業(yè)機械手”。工業(yè)機械手由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。執(zhí)行系統(tǒng)又可分為抓取，送放和機身三部分，如圖1.1所示1-執(zhí)行系統(tǒng) 2-控制系統(tǒng) 3-驅(qū)動系統(tǒng)a-手爪 b-手腕 c-手臂 d-機身 e-行走裝置圖1.1機械手的組成1.1執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是直接握持物件實現(xiàn)所需的各種運動的機械部分，它包括以下機構(gòu)（1）抓取機構(gòu) 抓取機構(gòu)又稱手部或手爪，是機械手直接與被抓取物件接觸并施加約束和加緊力的部分。（2）送放機構(gòu) 送放機構(gòu)是執(zhí)行系統(tǒng)中將被抓取物件送放到目的地的機械部分。它主要由手臂、手腕、行走裝置等部分組成。手臂是用來支撐腕部和手部并改變被送放物件的空間位置的。它是機械手的主要運動部件。手腕主要是用來調(diào)整和改變被送放物件的方位，并連接手臂和手指。行走裝置的主要作用是擴大機械手的送放范圍，以適應(yīng)遠(yuǎn)距離操作的需要。（3）機身 機身是機械手中用來支撐送放機構(gòu)的部件，也是安裝驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)部件。1.2 驅(qū)動系統(tǒng)機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是為執(zhí)行系統(tǒng)各部分提供動力的裝置。驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等多種形式。液壓驅(qū)動系統(tǒng)主要由油泵，油缸，油壓閥機管路組成。1.3 控制系統(tǒng)機械手控制系統(tǒng)的功用是通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，并檢測其工作位置正確與否。它主要包括程序控制和位置檢測等部分.程序控制裝置指揮機械手按規(guī)定的程序進行運動,并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序,運動軌跡,運動速度,運動時間等),同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令,必要時它還可對機械手的動作進行監(jiān)視,當(dāng)動作有錯誤或發(fā)生故障時,即發(fā)出報警信號.信息檢測裝置主要用來控制機械手執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置,并隨時竟執(zhí)行系統(tǒng)的實際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進行比較,然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整,從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.第2章 方案設(shè)計及主要參數(shù)的確定2.1 方案設(shè)計根據(jù)課題要求，機械手需要具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作，因此可采用以下多種設(shè)計方案。（1）直角坐標(biāo)系式，自動線成直線布置，機械手空中行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，這使設(shè)計復(fù)雜程度增加，運動質(zhì)量增大。（2）機身采用立柱式，機械手側(cè)面行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能，自動線仍呈直線布置。這種方案可以集中設(shè)計液壓站，易于實現(xiàn)電氣、油路定點連接，但占地面積大，手臂懸伸量較大。（3）機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工件等優(yōu)點，但配線要求較高。本設(shè)計擬采用第三種方案，如圖（1）所示。這是一種球坐標(biāo)式機械手，具有立柱旋轉(zhuǎn)z、手臂伸縮x、手臂俯仰y、腕部轉(zhuǎn)動x和腕部擺動y五個自由度。圖2.1 球坐標(biāo)式機械手2.2主要參數(shù)的確定（1）抓取重量 15kg（2）坐標(biāo)形式和自由度 坐標(biāo)形式為球坐標(biāo)式，有五個自由度。（3）工作行程工作行程由已知條件及方案分析確定：最大工作半徑1500mm；手臂最大中心高1000mm；手臂水平中心高700mm；手臂伸縮行程450mm；手臂回轉(zhuǎn)范圍：=0270；手腕回轉(zhuǎn)范圍：翻轉(zhuǎn)=0180；腕部擺動范圍：轉(zhuǎn)位=090；手臂上下擺動角度：=060。（4）運動速度直線運動速度：手臂伸縮行程l=450mm，運動時間t=2s，則手臂伸縮速度為：v=0.45/2=0.225m/s；回轉(zhuǎn)運動速度：定為60/s。（5）驅(qū)動方式驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動的方式。由于機械手操作時各缸不同時工作，手臂伸縮缸和手臂回轉(zhuǎn)缸所需的流量大，其余各缸所需的流量均較小，因此可選用雙聯(lián)葉片泵。在小流量時，只需高壓小流量供油，大流量低壓泵卸荷；在大流量時，兩泵同時供，這樣可以減少系統(tǒng)功率損失，防止油溫升高。（6）定位精度定位采用機械擋塊定位，定位精度為0.51mm。（7）控制方式采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。第3章 抓取機構(gòu)的設(shè)計31抓取機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的確定抓取機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要決定于工件的形狀和質(zhì)量，本課題的抓取工件為250170140mm的箱式零件，因此采用平行連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)較為合適。夾緊裝置為常開式，當(dāng)夾緊液壓缸通油時，推動活塞帶動杠桿機構(gòu)合攏將工件夾緊。當(dāng)夾緊液壓缸斷油時，活塞桿通過彈簧復(fù)位，手爪張開。32夾緊力（握力）的確定當(dāng)用不同的手部機構(gòu)夾緊同一種工件時，由于各手部機構(gòu)的增力倍數(shù)不同，所需拉緊油缸的驅(qū)動力也不同。當(dāng)手部機構(gòu)選定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置），鉗爪的受力狀態(tài)不一樣，因而所需拉緊油缸的驅(qū)動力也不一樣。下圖（2）為兩鉗爪式手部機構(gòu)，由于驅(qū)動力p使一對平行鉗口對被夾持的工件產(chǎn)生兩個作用力n，當(dāng)忽略工件重量時（即相當(dāng)于夾緊一塊握力表），這兩個力大小相等，力n稱為由驅(qū)動力p產(chǎn)生的夾緊力。圖3.1 夾緊力現(xiàn)引入一個稱為“當(dāng)量夾緊力”的概念，所謂當(dāng)量夾緊力，就是指把重量為g的工件，按某一方位夾緊可以求得其拉緊油缸具有的最小驅(qū)動力，這個最小驅(qū)動力所能產(chǎn)生的夾緊力，就稱為工件在這個方位的當(dāng)量夾緊力。當(dāng)量夾緊力的數(shù)值與具體的手部機構(gòu)方案無關(guān)。只與工件的重量g和它相對與鉗爪的放置方位有關(guān)。證明如下：（1）首先求驅(qū)動力p與夾緊力n的關(guān)系。當(dāng)驅(qū)動力推動活塞桿移動一小段距離dy時，兩個鉗爪都相應(yīng)產(chǎn)生一微小轉(zhuǎn)角d，依據(jù)虛功原理，驅(qū)動力p所做功（pdy）和夾緊力n所做功應(yīng)相等，即 n= （3.1）（2）當(dāng)量夾緊力與工件重量之關(guān)系。當(dāng)鉗爪水平夾緊重為g的工件時，根據(jù)工件的平衡條件f=0可得r1=r2+g可以看出，上下鉗爪對工件的夾緊力并不相等，且隨驅(qū)動力的增大而增大，但r1和r2的差值永遠(yuǎn)為工件之重量g，如r2=0，r1=g，驅(qū)動力最小。這個最小驅(qū)動力可以由下述方法求出：將r1=g，r2=0代入上式得 （3.2）由所產(chǎn)生的夾緊力，即當(dāng)量夾緊力。將（2.2）式代入（2.1）式得 （3.3）從計算結(jié)果可以看出，當(dāng)量夾緊力與具體的手部結(jié)構(gòu)方案無關(guān)。不同的手部機構(gòu)的增力倍數(shù)特性不一樣，而當(dāng)量夾緊力與無關(guān)，只與工件的重量和它相對于鉗爪的放置方位無關(guān)。由課題要求可知，本機械手水平夾持懸伸工件，示意如圖3.2圖3.2 握力示意圖查表得進行握力計算： n= （3.4）式中 n夾持工件時所需的握力；g工件的重量，g=15kg=150n；l、h尺寸，l=50mm，h=80mm。將上述數(shù)值代入得n=n考慮到工件在傳送過程中還會產(chǎn)生慣性力、振動以及受到傳力機構(gòu)效率等的影響，故而實際握力還應(yīng)按以下計算： n實 （3.5）式中，手部的機械效率，一般=0.850.95；k1安全系數(shù)，一般取k1=1.22；k2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按下式估算：k2=1+/g，其中，為被抓取工件傳送過程中的最大加速度，g為重力加速度。若取=0.9；k1=1.5；k2按= g/2計算，k2=1+/g=1.5，則n實 =356.251.51.5/0.9890n3.3夾緊缸驅(qū)動力的計算抓取機構(gòu)產(chǎn)生的握力是通過驅(qū)動裝置產(chǎn)生的驅(qū)動力經(jīng)傳動機構(gòu)傳遞而得到的。如圖3.3所示為夾緊缸受力分析簡圖，圖中p為驅(qū)動力，n實為握力。由圖3.4和圖3.5的受力分析可得 p=2rsin （3.6）rh=lcd r|因為 h=lbccos=lbccos(180-+) = lbccos(+-) （長度取正值）r|= n實cos所以 p=2rsin=由結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定=10，=120，=50，lcd=130mm，lbc=36mm，代入上式得 （長度取正直）圖3.3 夾緊缸受力分析簡圖圖 3.4 圖3.53.4夾鉗式抓取機構(gòu)的定位誤差分析圖3.6所示的為一支點回轉(zhuǎn)型手指的示意圖。圖示情況為分別夾持兩種不同直徑的工件時的情況。其中，為手指長度，即手指的回轉(zhuǎn)中心a到v形槽頂點b之間的距離；為v形槽的夾角；為偏轉(zhuǎn)角，即v形槽的角平分線bc與手指ab間的夾角；r為工件的半徑。圖 3.6工件的中心c與手指的回轉(zhuǎn)中心a之間的距離x可由下式求得：將上式整理后得 或此式為雙曲線方程，其曲線如圖3.7所示。圖中曲線表示了x隨r變化的關(guān)系，而且x的變化是以r0為分界線左右對稱的。當(dāng)工件的半徑由rmax變化到rmin時，x的最大變化量即為定位誤差，其值為圖3.7在設(shè)計手指時，只要給定手指的長度，選取合適的偏轉(zhuǎn)角，即可根據(jù)工件的最大直徑rmax和最小直徑rmin確定定位誤差。為了減少定位誤差，可加大手指的長度，會使結(jié)構(gòu)增大，重量增加。另外，選擇最佳的偏轉(zhuǎn)角，也可使定位誤差最小。當(dāng)r等于平均半徑rm時，定位誤差最小，此時式中，最佳偏轉(zhuǎn)角。35夾緊液壓缸主要尺寸的確定3.5.1液壓缸內(nèi)徑d的計算由單桿活塞式液壓缸的推力公式： （3.7）式中，液壓缸的推力(n)； p系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5mpa=2.5n/mm2；活塞的作用面積（mm2）=d活塞直徑（mm）。推導(dǎo)得出： d=1.13 （3.8）式中，驅(qū)動力，即液壓缸的實際工作載荷（n）；p系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5mpa=2.5n/mm2；m機械效率，一般取m=0.95；d液壓缸內(nèi)徑（mm）。將上述數(shù)值代入得d=1.13按gb/t2348-1993標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整，取d=32mm。3.5.2活塞桿直徑d的計算根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿直徑d （3.9）式中 ，d活塞桿直徑（mm）；d液壓缸直徑（mm）；速度比： 活塞桿的縮入速度（mm/min）；活塞桿的伸出速度（mm/min）。液壓缸的往復(fù)運動速度比，與系統(tǒng)工作壓力的關(guān)系如下 表3.1工作壓力p/mpa1012.52020速度比1.331.46；22由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)工作壓力為2.5mpa，故選用速度比為1.33。不同速度比時活塞桿直徑d和液壓缸內(nèi)徑d的關(guān)系如下 表3.2：1.151.251.331.462d0.36d0.45d0.5d0.56d0.71d按gb/t2348-1993標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整，取d=14mm。3.5.3液壓缸壁厚的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算： （3.10）式中，液壓缸缸筒厚度（mm）；試驗壓力（mpa），工作壓力p16mpa時，=1.5p；工作壓力p16mpa時，=1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為2.5mpa，故=1.52.5=3.75mpa；d液壓缸內(nèi)徑（mm）；缸材料體的許用應(yīng)力（mpa）：缸體材料的抗拉強度（mpa）；n安全系數(shù)，n=3.55，一般取n=5。對于：鍛鋼 =100120 mpa鑄鋼 =100110 mpa鋼管 =100110 mpa鑄鐵 =60 mpa現(xiàn)選用鑄鐵材料，=60mpa。將以知數(shù)據(jù)代入上式得因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取=10mm。3.5.4液壓缸外徑d0及長度l的計算l（2030）d0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取l=60mm。3.5.5液壓缸行程s的確定根據(jù)課題要求以及機構(gòu)的運動要求按gb/t2349-1980標(biāo)準(zhǔn)系列確定液壓缸活塞行程為450mm。第4章 送放機構(gòu)的設(shè)計4.1概述（1）送放運動改變被抓取物體的位置和方向，并將其送放到一定的目的位置上，這一運動過程稱為送放運動。送放運動是機械手或機器人或機器人最主要的運動，包括手臂、手腕和行走裝置的運動，但不包括機械手或機器人手爪抓取物體的動作。因此，抓取動作只具有抓取功能，不能改變被抓取物的位置和方向，因而不是送放運動。送放運動又可分為主運動和輔運動兩部分，手臂的運動為主運動，手腕的運動和整機的行走運動為輔運動。主運動決定送放運動的空間范圍的形狀和性質(zhì)，輔運動可擴大送放運動或改變被送放物體在空間的方位。（2）送放范圍機械手或機器人將被抓取的物體送放到某一位置，其所能達(dá)到的空間范圍稱為機械手或機器人的送放范圍。當(dāng)送放位置為一點時，稱為點位送放；當(dāng)送放位置在一個確定的表面內(nèi)（如矩形面、扇形面、圓柱面）時，這樣的送放范圍稱為面位送放；當(dāng)送法的位置在一個確定的空間體內(nèi)（如長方體、圓柱體、球體、多球體）時，這樣的送放范圍稱為體位送放。點位送放、面位送放、體位送放均由主運動的運動形式、自由度及其組合來決定。（3）送放圖形送放范圍可用送放圖形（送放運動的軌跡或空間的形狀及大?。﹣砻枋觥｜c位送放的送放位置為確定的點，其主運動只有一個自由度。其運動形式為直線運動時，送放圖形為一直線；為回轉(zhuǎn)運動時，送放圖形為一圓弧；為復(fù)合運動，送放圖形為一空間曲線。面位送放，其送放圖形為一確定的表面，由兩個參變量決定，故主運動需要兩個自由度。其送放圖形為三種不同的情況：兩個直線運動組合，送放圖形為一矩形面；兩個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一圓弧面；一個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一扇形面（如手臂伸縮和手臂回轉(zhuǎn)組合）或圓柱面（如手臂升降和手臂回轉(zhuǎn)組合。體位送放，其送放圖形為一個確定的空間體，故主運動有三個自由度。其送放圖形也有幾種不同的情況：三個直線運動組合時，送放圖形為一空間立方體；兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一空間圓柱體；兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動組合是，送放圖形為一空間組合體；三個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為空間球體或多球體。（4）送放運動的自由度送放運動具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，即送放運動的自由度，亦即機械手或機器人的自由度。它等于主運動自由度數(shù)和輔運動自由度數(shù)之和。一般情況下，主運動有13個自由度：當(dāng)主運動有1個自由度時，送放圖形為點位送放；當(dāng)主運動有2個自由度時，送放圖形為面位送放；當(dāng)主運動有3個自由度時，送放圖形為體位送放。如果采用多關(guān)節(jié)的送放機構(gòu)，則機械手的主運動自由度數(shù)還可以增加，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，故實際應(yīng)用不多。此時，宜采用增設(shè)輔運動的方法來增加機械手的功能，如增加腕部的平移或整機的行走運動以擴大送放范圍，或增設(shè)腕部的回轉(zhuǎn)和擺動運動以改變被送放物的方位。機械手有幾個自由度就說明有幾個送放運動。自由度越多，送放動作也越多，則機械手越靈活，其送放范圍也越大，但機械手也越復(fù)雜。本次所設(shè)計的機械手的送放機構(gòu)共有5個自由度，即主運動有3個自由度（手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰）、輔助運動有2個自由度（腕部的回轉(zhuǎn)、擺動），為體位送放，全部采用液壓驅(qū)動，分別由兩個直動液壓和三個回轉(zhuǎn)液壓缸來實現(xiàn)。機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖如下圖4.1所示：圖4.1 液壓系統(tǒng)的工作原理圖4.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定4.2.1.液壓缸工作載荷的確定r= rt+rfrm （4.1）rt=rwrg （4.2）式中，r液壓缸的工作載荷；rw液壓缸軸線方向上的外作用力；rg液壓缸軸線方向上的重力；rf運動部件的摩擦力；rm運動部件的慣性力。非標(biāo)準(zhǔn)機械的液壓缸設(shè)計，按實際計算出工作壓力后，還應(yīng)符合液壓缸額定工作壓力系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（jb2183-77），本設(shè)計確定的系統(tǒng)工作壓力為2.5mpa。4.2.2.液壓缸推力的確定當(dāng)液壓缸工作壓力確定之后，即可計算出液壓缸的推力。對于活塞式液壓缸，液壓缸的推力為p=pa （4.3）式中，p系統(tǒng)的工作壓力；a活塞的有效工作面積。4.2.3.液壓缸流量的計算液壓缸的工作流量為q=av （4.4）式中，v液壓缸或活塞桿的速度；a液壓缸的有效工作面積。因此，只要確定出液壓缸的直徑d，就可求出活塞或液壓缸的有效工作面積，從而可求得液壓缸的推力和流量。或者，根據(jù)各缸的實際工作載荷p，先求出活塞或液壓缸的有效工作面積a，再確定各缸的直徑d。4.2.4.液壓缸基本尺寸的確定（1）活塞缸直徑d的確定無桿腔工作時：d= （4.5）有桿腔工作時：d= （4.6）式中，系統(tǒng)的工作壓力，=2.5mpa；回油腔的壓力；機械效率，一般取=0.95； 液壓缸的工作載荷；活塞桿的直徑。按上式計算后，還應(yīng)按jb2183-77取規(guī)定系列的直徑值。（2）活塞桿直徑d的確定活塞桿直徑可按工作壓力確定，對于常用速比的液壓缸也可根據(jù)已定的缸徑d查下表：液壓缸工作壓力（mpa） 5 57 7活塞桿直徑d （0.50.6）d （0.60.7）d 0.7d另外，當(dāng)液壓缸速度在610 m/s左右時，也可按活塞往返的工作速度之比來確定活塞桿直徑：d=d，其中=速比與工作壓力有如下關(guān)系：工作壓力（mpa ） 1.0 1.2520 20速比 1.33 1.462 2（3）液壓缸壁厚的確定=式中，試驗壓力； d 液壓缸直徑；缸體材料的許用應(yīng)力。（4）液壓缸外徑d0及長度l的確定d0=d+2l（2030）d0缸體長度l根據(jù)上式由活塞行程來確定，并注意缸體的制造工藝性和經(jīng)濟性。4.3 機械手的腕部設(shè)計4.3.1 腕部結(jié)構(gòu)形式的確定工業(yè)機器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件，起支承手部的作用，為了使手部處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標(biāo)軸x、y、z的轉(zhuǎn)動，即具有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動三個自由度。腕部實際所具有的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機器人的工作性能要求來確定。在多數(shù)情況下，腕部具有兩個自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或擺動。一些專業(yè)機械手甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動自由度。本機械手腕部具有兩個自由度，因此采用兩個回轉(zhuǎn)油缸，即回轉(zhuǎn)和擺動，且回轉(zhuǎn)范圍為0180，擺動范圍為090?；剞D(zhuǎn)油缸和擺動油缸的結(jié)構(gòu)圖分別如圖4.2和圖4.3所示：圖4.2圖4.34.3.2 腕部回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算實現(xiàn)上述運動的驅(qū)動力必須克服腕部啟動時所需的慣性力矩、腕部回轉(zhuǎn)軸與支承處的摩擦力矩、動片與缸壁和端蓋等處密封裝置的摩擦力矩，以及由于轉(zhuǎn)動部件重心與轉(zhuǎn)動軸心線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩，圖4.4所示為腕部受力分析。圖4.4腕部轉(zhuǎn)動時必須克服三種力矩、和，故手腕的回轉(zhuǎn)力矩m至少應(yīng)為： （4.7）考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將m取大一些，可取式中，m驅(qū)動力矩；m慣慣性力矩；m偏參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回轉(zhuǎn)缸動片等）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩；m摩腕部回轉(zhuǎn)與支承處的摩擦力矩；以上各力矩的分析計算如下：1）腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩m慣若手部啟動時按等加速運動，角速度為w，啟動過程所用的時間為，啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度為，則或 （4.8）式中，j腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；j1工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；腕部轉(zhuǎn)動的角速度；啟動過程所需的時間，一般為0.010.5（s），這里取0.1；啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。若工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則轉(zhuǎn)動慣量為 （4.9）式中，工件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量；工件的重量；工件重心到回轉(zhuǎn)軸的偏心距；g重力加速度。本機械手腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：回轉(zhuǎn)軸：對其重量進行估算，定小直徑段為，大直徑段為，即查表得其轉(zhuǎn)動慣量為連接板：對其重量進行估算，即查表得其轉(zhuǎn)動慣量為液壓缸：對其重量進行估算，即查表得其轉(zhuǎn)動慣量為手爪：對其重量進行估算，即查表得其轉(zhuǎn)動慣量為故腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件的轉(zhuǎn)動慣量和為：工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：由以上計算得腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩為：2）腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩m摩式中，d1、d2腕部軸頸的直徑（參見圖10）；f軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，f=0.01，對于滑動軸承，f=0.1；ra、rb軸頸處的支撐反力。按腕部轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解ra和rb。根據(jù)，得即 同理，根據(jù)，得式中，、工件、手部、腕部的重量；、尺寸，見圖10。故3）工件重心偏置引起的偏重力矩m偏m偏=g1e （4.10）式中，g1工件重量（n）； e偏心距。由于本課題的工件為250170140mm的箱式零件，即為對稱的零件，因此工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合，也就是偏心距為零，故m偏為零。因此腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩為：又腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩m與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系為： （4.11）式中，m回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩；p回轉(zhuǎn)缸的工作壓力；r缸體內(nèi)壁半徑；r輸出軸半徑；b動片寬度。上述驅(qū)動力矩m與壓力p的關(guān)系式是對應(yīng)與壓力腔的背壓為零時的情況而言的，若低壓腔有一定的背壓，則p為工作壓力與背壓的差值。4.3.3腕部回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸的確定1）液壓缸內(nèi)徑的確定由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩m與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系推導(dǎo)得缸體內(nèi)壁半徑為；其中輸出軸半徑r由結(jié)構(gòu)設(shè)計定為12.5mm。查表按標(biāo)準(zhǔn)系列圓整，取r=32.5mm，即回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑為65mm。2）液壓缸壁厚的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算： （4.12）式中，液壓缸缸筒厚度（mm）；試驗壓力（mpa），工作壓力p16mpa時，=1.5p；工作壓力p16mpa時，=1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為2.5mpa，故=1.52.5=3.75mpa；d液壓缸內(nèi)徑（mm）；缸材料體的許用應(yīng)力（mpa）： （4.13）缸體材料的抗拉強度（mpa）；n安全系數(shù)，n=3.55，一般取n=5。對于：鍛鋼 =100120 mpa鑄鋼 =100110 mpa鋼管 =100110 mpa鑄鐵 =60 mpa現(xiàn)選用鑄鐵材料，=60mpa。將以知數(shù)據(jù)代入上式得因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取=17.5mm。3）液壓缸外徑d0及寬度b的計算b（2030）d0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取b=30mm。4）回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定由方案設(shè)計可知，腕部回轉(zhuǎn)行程0180，其結(jié)構(gòu)形式見圖4.2。4.3.4.腕部擺動缸驅(qū)動力矩的計算與回轉(zhuǎn)液壓缸的計算類似，腕部擺動時也必須克服三種力矩、和，故手腕的擺動力矩m至少應(yīng)為： 同樣考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將m取大一些，可取 （4.14）式中，m驅(qū)動力矩；m慣慣性力矩；m偏參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回轉(zhuǎn)缸動片等）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩；m摩腕部擺動與支承處的摩擦力矩；以上各力矩的分析計算如下：1）腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩m慣若手部啟動時按等加速運動，角速度為w，啟動過程所用的時間為，啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度為，則或 （4.15）式中，j腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；j1工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量；腕部轉(zhuǎn)動的角速度；啟動過程所需的時間，一般為0.010.5（s），這里取0.2；啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。若工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則轉(zhuǎn)動慣量為 （4.16）式中，工件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量；工件的重量；工件重心到回轉(zhuǎn)軸的偏心距；g重力加速度。由腕部回轉(zhuǎn)運動計算可知，腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量相對工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量要小的多，因此在此僅計算工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為：由于擺動液壓缸工作時，工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則由以上分析得轉(zhuǎn)動慣量為由以上計算得腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩為：2）腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩m摩腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩公式為 （4.17）由由腕部回轉(zhuǎn)運動計算可知，腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩相對與其他力矩要小的多，故此不在計算。3）工件重心偏置引起的偏重力矩m偏m偏=g1e （4.18）式中，g1工件重量（n）； e偏心距。由于腕部擺動時，工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，故存在偏心力矩因此腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩為：4.3.5.腕部擺動液壓缸尺寸的確定1）液壓缸內(nèi)徑的確定由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩m與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系推導(dǎo)得缸體內(nèi)壁半徑為；其中輸出軸半徑r由結(jié)構(gòu)設(shè)計定為15mm。查表按標(biāo)準(zhǔn)系列圓整，取r=55mm，即回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑為110mm。2）液壓缸壁厚的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算： （4.19）式中，液壓缸缸筒厚度（mm）；試驗壓力（mpa），工作壓力p16mpa時，=1.5p；工作壓力p16mpa時，=1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為2.5mpa，故=1.52.5=3.75mpa；d液壓缸內(nèi)徑（mm）；缸材料體的許用應(yīng)力（mpa）： （4.20）缸體材料的抗拉強度（mpa）；n安全系數(shù)，n=3.55，一般取n=5。對于：鍛鋼 =100120 mpa鑄鋼 =100110 mpa鋼管 =100110 mpa鑄鐵 =60 mpa現(xiàn)選用鑄鐵材料，=60mpa。將以知數(shù)據(jù)代入上式得因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取=30mm。3）液壓缸外徑d0及寬度b的計算b（2030）d0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取b=100mm。4）回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定由方案設(shè)計可知，腕部擺動行程090，其結(jié)構(gòu)形式見圖4.3。4.4機械手的手臂和機身的設(shè)計4.4.1. 手臂和機身結(jié)構(gòu)形式的確定手臂部件（簡稱臂部或手臂）是機械手的主要執(zhí)行部分，其作用是支承手腕及抓取機構(gòu)（包括被抓取的工件或工具），有時其他一些裝置如傳動機構(gòu)或驅(qū)動裝置也安裝在手臂上。機身則直接支承和帶動手臂部件，并實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)、升降、俯仰等運動。因此，手臂的送放運動越多，機身的結(jié)構(gòu)和受力狀況也越復(fù)雜。設(shè)計手臂和機身時應(yīng)注意以下幾個問題：1）剛度剛體是指手臂和機身在外力作用下抵抗變形的能力。由于機械手的手臂一般都要懸伸（水平或垂直懸伸），因而手臂和機身的剛度十分重要。手臂的懸伸量越大，剛度越差，而且剛度歲懸伸距離的變化而不斷變化，因而懸伸量對機械手的運動性能、位置精度和負(fù)荷能力都有很大的影響。為了提高手臂的剛度，除了盡量縮短手臂的懸伸量外，還應(yīng)合理地選擇使手臂抗彎扭能力強的手臂截面形狀，并合理地確定手臂的壁厚和材質(zhì)，以及合理地布置受力構(gòu)件的位置和方向。2）精度機械手的精度最終反映在手部的位置精度上，在很大程度上取決與手臂和機身的精度。影響手臂和機身的精度的因素較多，主要有本身的剛度、手部和腕部與手臂的連接剛度，以及手臂和機身運動的導(dǎo)向裝置和定位裝置的精度等。3）平穩(wěn)性手臂和機身的質(zhì)量較大，其運動速度和負(fù)荷也較大，因而產(chǎn)生的沖擊和振動也較大。因此，它們的工作平穩(wěn)性十分重要，將直接影響到機械手的工作質(zhì)量和壽命，在設(shè)計時應(yīng)予以足夠的重視。在設(shè)計時除了力求結(jié)構(gòu)合理、緊湊、重量輕、慣性小以外，還應(yīng)采取有效的緩沖措施，以便吸收沖擊能量，提高機械手的工作平穩(wěn)性。4）其他要求對于一些在特殊條件下工作的機械手，設(shè)計時應(yīng)滿足其他特殊的要求。例如：在高溫環(huán)境工作時，應(yīng)考慮熱輻射的影響；在腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下工作時，應(yīng)考慮防腐蝕措施；在多用途作業(yè)環(huán)境下工作時，應(yīng)考慮控制、檢測、維修方便等等。手臂和機身的配置形式反映了機械手的總體布置形式，主要取決與機械手的工作要求、運動形式和作業(yè)環(huán)境，大致上可歸納為以下幾種：1）立柱式這種配置形式適合于回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型機械手，因而是一種最常見的配置形式。這種配置形式的手臂可以在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，具有占地面積小、工作范圍的特點。立柱可以安裝在生產(chǎn)線上，為一臺機車服務(wù)，也可以在其上加裝行走裝置，為多臺機床服務(wù)。立柱式配置形式的機械手可以做成單臂的，也可以作成雙臂的。后者通過兩臂同時升降、交臂伸縮，實現(xiàn)一手上料，一手下料，使結(jié)構(gòu)簡單緊湊。2）機座式機座式配置形式的機身設(shè)計成機座的形式，獨立自成系統(tǒng)，便于安裝和搬動。也可在機座上增設(shè)行走裝置，使機座能在地面專用軌道上移動。這種配置形式的手臂裝在機座的頂端，適合于回轉(zhuǎn)型或俯仰型機械手。這種配置形式的機械手也可以做成雙臂的或多臂的，以便同時為幾臺機床服務(wù)。3）屈伸式屈伸式配置形式的小臂相對于大臂可以作屈伸運動，大臂又可相對于機身作回轉(zhuǎn)和俯仰運動。因此，手臂夾持中心的運動軌跡為一空間曲線。這種配置形式能有效地利用空間，并能繞過障礙物夾持和送放工件，但使機械手的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。4）懸掛式懸掛式配置形式的機身設(shè)有橫梁，用于懸掛手臂，這種配置形式主要用于直角坐標(biāo)式機械手。橫梁可設(shè)計成固定的，也可以設(shè)計成移動的。一般情況下，橫梁可安放在廠房原有的建筑物上。本機械手機身采用機座式，手臂運動的導(dǎo)向裝置為雙導(dǎo)向桿式，兩導(dǎo)向桿對稱配置在驅(qū)動油缸的兩側(cè)。4.4.2. 手臂驅(qū)動力的計算計算臂部運動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進去。機器人工作時，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。1）手臂水平伸縮運動時的驅(qū)動力計算下圖4.4所示的為手臂作水平伸縮運動時的受力分析。圖4.4當(dāng)壓力油輸入工作腔時，活塞驅(qū)動手臂前伸。其驅(qū)動力應(yīng)克服手臂在前伸啟動時所產(chǎn)生的慣性力、手臂運動部件與密封裝置的摩擦阻力，以及回油腔的壓力（即負(fù)壓）。因此，驅(qū)動力為式中， 手臂啟動過程中的慣性力；摩擦阻力（包括導(dǎo)向裝置和活塞與缸體之間的摩擦阻力）；密封裝置處的摩擦阻力，用不同形式的密封裝置，其摩擦阻力不同；油缸非工作腔的壓力（即背壓）所造成的阻力，若非工作腔與油箱或大氣相通，則=0。2）手臂作回轉(zhuǎn)運動時的驅(qū)動力矩計算驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩為m，該力矩應(yīng)與手臂啟動時所產(chǎn)生的慣性力矩以及密封裝置所產(chǎn)生的阻力矩平衡（略去軸承處的摩擦），因此：式中，慣性力矩；密封裝置處的摩擦力矩。一般，按下式計算： （4.21）式中，回轉(zhuǎn)缸動片的角速度增量，在啟動過程中，； 啟動過程的時間； 手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量。若手臂回轉(zhuǎn)部件的重心與回轉(zhuǎn)軸線不重合，則其部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為 （4.22）式中，回轉(zhuǎn)部件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量；p回轉(zhuǎn)部件的重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。當(dāng)手臂部件尺寸不大，而且其重心位置距回轉(zhuǎn)軸線又較遠(yuǎn)時，可認(rèn)為手臂部件為“質(zhì)點”，則按下式計算轉(zhuǎn)動慣量： （4.23）另外，在初算驅(qū)動力矩時，為了簡化計算，也可以用效率參數(shù)來考慮各密封裝置的摩擦阻力的影響，則可按下式計算驅(qū)動力矩： （4.24）式中，回轉(zhuǎn)缸的效率，取=0.850.90。由上述可知，要減少驅(qū)動力矩，必須減少啟動時的慣性力矩，應(yīng)盡量減少手臂的懸伸量，盡量使運動部件的總重心趨近手臂的回轉(zhuǎn)軸線，并將手臂縮回后再進行回轉(zhuǎn)。3）手臂作俯仰運動時的驅(qū)動力矩計算下圖4.5所示為手臂作俯仰運動時的受力分析圖。圖4.5由圖可知，當(dāng)手臂與水平線成仰角1和俯角2時，鉸接活塞缸的驅(qū)動力p的作用線與垂直線的夾角a在a1與a2的范圍內(nèi)變化。而作用在活塞上的驅(qū)動力通過連桿機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩與手臂的俯仰角有關(guān)，當(dāng)手臂處在仰角為1的位置oa1時，驅(qū)動力矩為 （4.25）因為 而 所以 而 （4.26）式中，a,b,c機械手的結(jié)構(gòu)尺寸（參見圖4.5）；p作用于活塞上的驅(qū)動力；p液壓缸的工作壓力；d活塞缸的內(nèi)徑；密封裝置的摩擦阻力；非工作腔的油壓（背壓），當(dāng)非工作腔通油箱或大氣時，=0。當(dāng)手臂處在俯仰2的位置oa2時，驅(qū)動力矩為 （4.27）因為 而 所以 當(dāng)手臂處在水平位置時，=0，驅(qū)動力矩為手臂俯仰時的驅(qū)動力矩，應(yīng)克服手臂部件的重量對回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩、手臂啟動時的慣性力矩以及各回轉(zhuǎn)副處的摩擦力矩，即式中，仰運動時手臂部手臂作俯件總質(zhì)量對回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩，當(dāng)手臂上仰時為正，下俯時為負(fù)；手臂作俯仰運動時的慣性力矩；手臂作俯仰運動時，各運動副處的摩擦力矩。因在手臂與立柱連接處一般都用滾動軸承，摩擦阻力較小，故摩擦力矩可忽略不計，則上式可簡化為各缸主要尺寸的計算結(jié)果如下表所示。 表4.1 各缸的主要尺寸 mm液壓缸名稱內(nèi)徑d外徑d0寬度b桿徑d厚度長度l立柱回轉(zhuǎn)液壓缸1402106035手臂俯仰液壓缸4050285265手臂伸縮液壓缸8090365550腕部擺動液壓缸11017010030腕部回轉(zhuǎn)液壓缸651003017.54.5 液壓系統(tǒng)元件的選擇由于機械手操作時各個液壓缸不同時工作，手臂伸縮和立柱回轉(zhuǎn)所需的流量最大，其余流量均較小，因此選用雙聯(lián)葉片泵，其型號為yb-6/40，系統(tǒng)壓力為2.5mpa，電機功率為5.5kw，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，并考慮到集中供油、維護方便等原則，確定液壓系統(tǒng)各元件的型號如下：溢流閥：yq6/63；單向閥：y10b；調(diào)速閥：q63b；節(jié)流閥：l-25b；換向閥：34e-63b、22e-25b、24e-10b。4.6 液壓系統(tǒng)回路的分析本機械手的送放機構(gòu)的液壓驅(qū)動系統(tǒng)是由一些液壓基本回路組成的，主要有以下一些回路。4.6.1. 調(diào)壓回路液壓系統(tǒng)的壓力必須與負(fù)載相適應(yīng)，以節(jié)約動力消耗和減少發(fā)熱。本機械手采用雙聯(lián)定量泵供油，用溢流閥來調(diào)節(jié)壓力，使系統(tǒng)在恒定的壓力下工作，下圖4.6所示的為調(diào)壓回路圖。圖4.64.6.2.緩沖回路手臂伸縮液壓缸中流量較大，進油壓力也較大，故在定位前采用二位二通電磁閥換接可調(diào)節(jié)流閥，以實現(xiàn)減速緩沖，如圖4.7所示。圖4.74.6.3.調(diào)速回路本機械手是液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用回油路節(jié)流調(diào)速，如下圖4.8所示。這種調(diào)速回路，由于回油腔存在背壓，故具有承受負(fù)值負(fù)載的能力。圖4.84.6.4換向回路本機械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用三位四通換向閥實現(xiàn)換向功能。4.6.5.鎖緊回路采用o型機能的三位四通換向閥，如圖4.9所示，滑閥在中間位置時油口全閉，油路不通，液壓缸鎖緊。由于液壓缸內(nèi)充滿液壓油，故從靜止到啟動較平穩(wěn)，換向沖擊小，換向復(fù)位位置較準(zhǔn)確。圖4.94.6.6保壓回路如圖4.10所示，采用蓄能器保壓。當(dāng)12dt斷電時，手爪放松，油泵給蓄能器充油。當(dāng)12dt通油時