機械手設(shè)計剖析

一、總體方案設(shè)計1.1設(shè)計任務(wù)基本要求：設(shè)計一個多自由度機械手（至少要有三個自由度）將最大重量為40Kg的工件，由車間的一條流水線搬到別一條線上；二條流水線的距離為：1000mm；工作節(jié)拍為：70s；工件：最大直徑為160mm的棒料；1.2總體方案確定1.2.1自由度自由度是指機器人所具有的獨立坐標軸運動的數(shù)目，但是一般不包括手部（末端操作器）的開合自由度。自由度表示了機器人靈活的尺度，在三維空間中描述一個物體的位置和姿態(tài)需要六個自由度。機械手的自由度越多，越接近人手的動作機能，其通用性就越好，但是結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，自由度的增加也意味著機械手整體重量的增加。輕型化與靈活性和抓取能力是一對矛盾，，此外還要考慮到由此帶來的整體結(jié)構(gòu)剛性的降低，在靈活性和輕量化之間必須做出選擇。工業(yè)機器人基于對定位精度和重復(fù)定位精度以及結(jié)構(gòu)剛性的考慮，往往體積龐大，負荷能力與其自重相比往往非常小。一般通用機械手有5?6個自由度即可滿足使用要求（其中臂部有3個自由度，腕部和行走裝置有2?3個自由度），專用機械手有1?2個自由度即可滿足使用要求。在控制器的作用下，它執(zhí)行將工件從一條流水線拿到另一條流水線這一動作。在滿足前提條件上盡量使結(jié)構(gòu)簡單，所以我們這次選擇5自由度機械手。1.2.2機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài)，按坐標形式大致可以分為以下4種：⑴直角坐標型機械手：

特點：操作機的手臂具有三個移動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標配置。優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設(shè)計最為簡單，但其占空間較大，且運動軌跡單一，使用過程中效率較低。結(jié)構(gòu)圖:結(jié)構(gòu)圖:⑵圓柱坐標型機械手：特點：操作機的手臂至少有一個移動關(guān)節(jié)和一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐標系配置。優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)剛度較好，運動所需功率較小，控制難度較小，但運動軌跡簡單，使用過程中效率不高。結(jié)構(gòu)圖：口泡心力"”小，U」?—圖2.4圓柱坐標型機器人

（3）球坐標（極坐標）型機械手：特點：操作機的手臂具有兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標系配置。優(yōu)缺點：結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設(shè)計有一定難度，且機械手臂的剛度不足，機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)圖：g…叩」圖ZS圖ZS極坐標型機器人閣2.*關(guān)節(jié)型機器人（平行四由形連桿圖｝閣2.*關(guān)節(jié)型機器人（平行四由形連桿圖｝特點：操作機的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動作，具有三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。優(yōu)缺點：運動軌跡復(fù)雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設(shè)計難度大，機械手臂的剛度差。結(jié)構(gòu)圖：因為本次設(shè)計的三自由度機械手主要用來運輸2流水線的零件，2者距離1000mm，這就要求機械手結(jié)構(gòu)簡單緊湊，定位精度較高,占地面積小。根據(jù)上面4種坐標形式，我選擇了圓柱坐標形式，這種形式比較符合這次設(shè)計的需要。圖1-2-3是機械手搬運物品示意圖。圖中機械手的任務(wù)是將傳送帶A上的物品搬運到傳送帶B。圖1-2-3機械手搬運物品示意圖1.2.3機械手的主要部件及運動在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設(shè)計任務(wù)，為了滿足設(shè)計要求，本設(shè)計關(guān)于機械手具有3個自由度既：手抓張合；手臂回轉(zhuǎn)；手臂升降3個主要運動。本設(shè)計機械手主要由3個大部件：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構(gòu)運動實現(xiàn)手抓的張合。（2）腕部，腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉(zhuǎn)動慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)手部回轉(zhuǎn)。（3）臂部，臂是機械手機構(gòu)的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。（4）機身，機身是直接支承和傳動手臂的部件。1.2.4機械手的驅(qū)動元件在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中，使用的電機類型主要有步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機以及最近幾年出現(xiàn)的超聲波電機和HD電動機等幾種。步進電機可直接將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個脈沖，步進電機就回轉(zhuǎn)一定的角度，其角度大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進電機可在很寬的范圍內(nèi)，通過改變脈沖的頻率來調(diào)速，能夠快速起動、反轉(zhuǎn)和制動，有較強的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機器人中無位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。直流伺服電機在機器人中應(yīng)用也很廣泛。常用它直接帶動滾珠絲杠驅(qū)動關(guān)節(jié)手臂關(guān)節(jié)運動。直流伺服電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)均與一般動力用直流電機相同。按激磁方式直流伺服電機可分為永磁式、他激式、并激式和串激式等。在機器人驅(qū)動系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機。.交流伺服電機在機器人中的應(yīng)用情況與置流伺服電機相同，但交流伺服電機與直流伺服電機相.比，，功率大、過載能力強、無電刷、環(huán)境適應(yīng)性好，因而交流伺服電機是今后機器人用電機的發(fā)展方向。低速電機主要用于系統(tǒng)精度要求高的機器人。為了提高功率體積比，伺服電機制成高轉(zhuǎn)速，經(jīng)齒輪減速后帶動機械負載。由于齒輪傳動存在間隙，系統(tǒng)精度不易提高，若對功率體積比要求不十分嚴格，而對于精度有嚴格的要求，則最好取消減速齒輪，采用大力矩的低速電機，配以高分辨率的光電編碼器及高靈敏度的測速發(fā)電機，實現(xiàn)直接驅(qū)動。環(huán)形超聲波電動機具有低速大轉(zhuǎn)矩的特點，使用在機器人的關(guān)節(jié)處，不需齒輪減速，可直接驅(qū)動負載，因而可大大改善功率重量比，并可利用其中空結(jié)構(gòu)傳遞信息。HD電動機是一種小型大轉(zhuǎn)矩（大推力）的電動機，電動機可直接與負載連接，可應(yīng)用在系統(tǒng)定位精度要求高的機器人產(chǎn)品中。通過上述對幾種機器人常用電機的分析和比較，綜合考慮本文機械手臂并不要求有很高的扭矩，但是要求有較高精度并要求能夠快速啟動和制動，所以選擇應(yīng)用較為廣泛的直流伺服電機作為驅(qū)動電機。1.2.5機械手的技術(shù)參數(shù)列表一、用途：搬運:用于傳送帶間搬運二、設(shè)計技術(shù)參數(shù)：1、抓重:40Kg（夾持式手部）2、自由度數(shù):5個自由度3、座標型式:圓柱座標4、最大工作半徑:1000mm6、手臂運動參數(shù)回轉(zhuǎn)范圍：0~180°二、各主要組成部分設(shè)計2.1爪部機構(gòu)設(shè)計2.1.1對手部設(shè)計的要求對手部設(shè)計的要求有適當?shù)膴A緊力手部在工作時，應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。有足夠的開閉范圍根據(jù)工件外圓大小，夾持的大小直徑必須大于100mm。夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好。力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個機械手機構(gòu)的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。手指應(yīng)有一定的強度和剛度其它要求：因此送料，夾緊機械手機構(gòu)，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。2.1.2手部設(shè)計基本要求應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。應(yīng)當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構(gòu)所需的驅(qū)動力大小是不同的。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所轉(zhuǎn)過的角度)△，，以便于抓取工件。要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。2.1.3機械手手抓的設(shè)計計算選擇手抓的類型及夾緊裝置本設(shè)計是設(shè)計平動搬運機械手的設(shè)計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張合角M=600,夾取重量為30Kg。常用的工業(yè)機械手手部，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)計機械手采用夾持式手指，夾持式機械手按運動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，這種手指結(jié)構(gòu)簡單，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)動力需加在手指移動方向上，這樣會使結(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械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。2、手抓的力學分析下面對其基本結(jié)構(gòu)進行力學分析：滑槽杠桿圖2-1-3.1為常見的滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)。圖2-1-3.1滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)圖2-1-3.2滑槽杠桿式受力分析在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F,并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為％和七其力的方向垂直于滑槽的中心線％和也并指向o點，交F1和F2的延長線于A及B。由￡Fx=0得F=F￡F=0得F=F12cosaF=-F由￡-01G)=011由￡-01G)=0F=Fh1N?.h=Lcosab、日F=—cos2aFaN式中a——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（mm）.a——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。由分析可知，當驅(qū)動力f一定時，a角增大，則握力Fn也隨之增大，但a角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好a=3Oo~4Oo。3、夾緊力及驅(qū)動力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。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動狀態(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)。手指對工件的夾緊力可按公式計算：F-KK2KG式中K1——安全系數(shù)，通常1.2~2.0；k2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦繩2=1+1其中a重力方向的最大上升加速度;_v

aK2=1+1其中a重力方向的最大上升加速度;_v

a=―maxt響vmax運載時工件最大上升速度'響一一系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.03~0.5sG——被抓取工件所受重力（N）。表2-1-3.1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50000.8~120000~300002.0~4.05000~100001.5~2.030000~500004.0~5.010000~200002.5~3.050000以上5.0~8.0計算：設(shè)a=50mm,b=100mm,1°0＜偵＜4°。;機械手達到最高響應(yīng)時間為0.5s，求夾緊力"n和驅(qū)動力F和驅(qū)動液壓缸的尺寸。⑴設(shè)％=1.5，a=、，K2=1+-=1.02（a運載工件時重力方向的最大上升加速度），0.52gK3=0.5根據(jù)公式，將已知條件帶入：F=1.5x1.02x0.5x400=306N（2）根據(jù)驅(qū)動力公式得：F*管=2X100（cos30）2x306=918N計算50（3）取門=°.85F實際F計算=竺=1080N0.85（4）確定液壓缸的直徑DF實際F計算=竺=1080N0.85選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.8~1MPa,

D=、"實際=4xl°8°pm?np(1-0.52)\，nx1x106x0.75根據(jù)表2-1-3.2(JB826-66),選取液壓缸內(nèi)徑為：D=50mm2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250表2-1-3.2液壓缸的內(nèi)徑系列(JB826-66)則活塞桿內(nèi)徑為：d=50x0.5=25mm，選取d=25mm4、活塞桿長度與手指長度的計算計算為了保證手抓張開角為600，活塞桿運動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指長100mm，當手抓沒有張開角的時候，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑%=40，當張開600時，最大夾持半徑％計算如下：R2=100xtg30+50cos30r101機械手的夾持半徑從40~101mm2.1.4彈簧的設(shè)計計算選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖2-1-4.1所示，計算過程％如下。圖2-1-4.1圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)

.選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力"]=800MPa.選擇旋繞比C=8，則K.』+虹4C-46K.竺1+蛙J4叫-1+虹=1.183

4C-46(4x8)-46.根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=35mm，估算彈簧絲直徑d=—=—=4.375mmC8(4).試算彈簧絲直徑d'>1.6FKCFKC=1.6.■1080X1-183X8=5.7mm，取6mm(4).試算彈簧絲直徑d'>1.6FKCFKC=1.6.■1080X1-183X8=5.7mm，取6mm800X106Gd入8FC3maxMAXn=Gd人=4.38FC3maxMAX選擇標準為n=5，彈簧的總?cè)?shù)n1=n+1.5=6.5圈.最后確定，D=35mm,d=5,D1=D-d=29mm,D2=D+d=41mm(7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算對于壓縮彈簧如果長度較大時，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)象壓縮彈簧的長細比b=H=74=1.76，本設(shè)計彈簧是D122端自由，根據(jù)下列選取:當兩端固定時，bV5.3，當一端固定；一端自由時，bV3.7；當兩端自由轉(zhuǎn)動時，bV2.6。結(jié)論本設(shè)計彈簧b=1.76V2.6，因此彈簧穩(wěn)定性合適。(8).疲勞強度和應(yīng)力強度的驗算。對于循環(huán)次數(shù)多、在變應(yīng)力下工作的彈簧，還應(yīng)該進一步對彈簧的疲勞強度

和靜應(yīng)力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)N^103，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應(yīng)力強度驗算）?，F(xiàn)在由于本設(shè)計是在恒定載荷情況下，所以S='>S只進行靜應(yīng)力強度驗算。計算公式：可。TmaxS；%選取1.3~1.7（力學性精確能高）T=<8KDF8KD8x1.184x0.055F=兀d3max8KD8x1.184x0.055F=兀d3TmaxSsc=~^=1-5max結(jié)論：經(jīng)過校核，彈簧適應(yīng)。圖2-1-4.2機械手開閉示例簡圖2.2腕部設(shè)計計算手腕是操作機的小臂上臂和末端執(zhí)行器手爪之間的連接部件。其功用是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構(gòu)2.2.1腕部設(shè)計的基本要求腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計腕部時要注意以下幾點：（1）結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。（2）轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。（3）注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、（4）管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題（5）要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。2.2.2部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇2.2.2部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)的選擇本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)18。0，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動。2.2.3腕部的設(shè)計計算1、腕部設(shè)計考慮的參數(shù)夾取工件重量40Kg，回轉(zhuǎn)180。。2、腕部的驅(qū)動力矩計算（1）腕部的驅(qū)動力矩需要的力矩心慣。（2）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩心摩。夾取棒料直徑160mm，長度1000mm，重量40Kg，當手部回轉(zhuǎn)180。時，計算力矩:（1）手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑180mmG=兀x0.092x0.22x7800Kg/m3x9.8N/Kg=427.9N（2）擦力矩心摩=0.1m。

(3)啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度$戶=180=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度?=2.616s-2。查取轉(zhuǎn)動慣量公式有:_1427.9J=xmxR2=xx0.092=0.178N-m-s229.8J=—x—(l3+3xR2)=—x40x(13+3x0.082)=3.354Nms2口牛12g12一、2-6162代入：M=(0.178+3.355)x=38.49N?m慣量2x0.314M-七+匕二七+°.成；M=史=42.8Nm0.93、腕部驅(qū)動力的計算設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)表2-1-3.2設(shè)缸體內(nèi)空徑D=110mm，外徑根據(jù)表2-2-3.1選擇133mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑2x42.8為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm。則回轉(zhuǎn)缸工作壓力P>="F*=0.5Mpa，選擇1Mpa2x42.8b(R2-r2)0.066x(0.0552-0.02252)表2-2-3.1標準液壓缸外徑(JB1068-67)(mm)液壓缸內(nèi)徑405063809010011012514015016018020020鋼P<160Mpa5060769510812113316814618019421924545鋼P<200Mpa506076951081211331681461801942192454、液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?/p>

表2-2-3.2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)0.5~1.5小于1501.5~2.5小于1202.5~5.0小于1005.0~10.0小于80圖2-2-3.1圖2-2-3.1缸蓋螺釘間距示意缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，如圖2-2-3.1所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強有關(guān)，見表2-2-3.2，在這種聯(lián)結(jié)中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力F「F/F計算：液壓缸工作壓強為P=1Mpa,所以螺釘間距t小于150mm,試選擇5個螺釘，3.14x1105=62.8mm<80mm，所以選擇螺釘數(shù)日合適Z=5個危險截面S=兀R2—兀r2=兀0」12—0.0452=0.007908875m3.14x1105=62.8mm<80mm，所以選擇螺釘數(shù)日合適Z=5個Fq=號=1x0.005908875=3954.4；K=1.5?1.8Fqs=KxFq=1.5x3954.4=5931.6N所以F=F+F'=3954.4+5931.6=9886N螺釘材料選擇Q235,則［b］=%_^2.=160MPa(n=1.2~25)n1.5螺釘直徑：d螺釘直徑：d>4x1.3F兀上F：4x1.3Fd>=0.0101c二：4x1.3x9886兀［br°\：3.14x160：4x1.3Fd>=0.01012.3臂部的設(shè)計及有關(guān)計算手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該包括3個運動：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。本章敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動設(shè)置在機身處，將在下一章敘述。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。2.3.1臂部設(shè)計的基本要求（1）剛度要大：為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。（2）導(dǎo)向性要好：為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。（3）偏重力矩要?。核^偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。（4）運動要平穩(wěn)、定位精度要高：由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。2.3.2手臂結(jié)構(gòu)的選擇及相關(guān)設(shè)計計算1、手臂的典型運動機構(gòu)

常見的手臂伸縮機構(gòu)有以下幾種：（1）雙導(dǎo)桿手臂伸縮機構(gòu)。（2）手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。（3）雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。（4）活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。2、手臂運動機構(gòu)的選擇通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導(dǎo)桿伸縮機構(gòu)，使用液壓驅(qū)動，液壓缸選取雙作用液壓缸。3、手臂直線運動的驅(qū)動力計算先進行粗略的估算，或類比同類結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，再進行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。圖2-3-2.1手臂活塞桿簡圖做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅(qū)動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算。F"摩+”密+UF4、手臂摩擦力的分析與計算分析：摩擦力的計算不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。設(shè)計是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮崗兩側(cè)。計算如下：由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算?！闙A=0，G總L=a氣gl得："=J￡Y=0，G總+F=F

徂Fa=GJ、IF=F+F=R'F+r‘F得：*a/，摩a摩b摩ab式中G總——gl得："=J￡Y=0，G總+F=FL——手臂與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離(m),參考上一節(jié)的計算；a——導(dǎo)向支撐的長度(m);日'一一當量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。對于國柱面四'=[4~:加=(1.27?1.57加四一一摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時:鋼對青銅：取u=O?1~0.15鋼對鑄鐵：取u=O.18~0.3導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵日'=°-20x1-5=0-3,G=300N,L=0.198導(dǎo)向支撐a設(shè)計為0.0216m將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算「八2L2x0.198+0.0216F摩=G總?cè)铡?300x0.3x。。頸=1740N5、手臂慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動是V=5e'min,在計算慣性力的時候，設(shè)置啟動時間割=0?2s,啟動速度Av=v=0.083m/s。GAu_400x0.083=12.7N—總——gA9.8x0.26、密封裝置的摩擦阻力=12.7N不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封，當液壓缸工作壓力小于1OMpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：F土=0.03F。經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力：封F=0.03F+F摩+F慣—1807N

2.3.3液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=461N，根據(jù)表2-1-3.1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa（1）確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖2-3-2.1所示當油進入無桿腔:--當油進入無桿腔:--兀D2f=Fn=p-^-n9.f—1一以圖2-3-2.1雙作用液壓缸示意圖當油進入有桿腔中:（無桿腔）選擇機械效率門=（無桿腔）選擇機械效率門=0.95（有桿腔）將有關(guān)數(shù)據(jù)代入：'4F'4F'FD=:=1.13：——M中也匕=1.13：1807V0.95X2X106=0.031m根據(jù)表2-1-3.2，選擇標準液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=32mm.（2）液壓缸外徑的設(shè)計根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為27mm.活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞(或液壓缸)運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算：b=F<[c]-d24設(shè)計中活塞桿取材料為碳剛，故[c]=100~120Mpa，活塞直徑d=10mm,L=150mm,現(xiàn)在進行校核。F…__=23X106<100xl06MP.d24結(jié)論：活塞桿的強度足夠。2.4液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計液壓控制機械手機構(gòu)的一種主要的控制形式。機械手機構(gòu)的運動速度和操作室根據(jù)油的流量與壓力來確定，因而只要控制油的流量和壓力，就可以控制機械手機構(gòu)的運動速度和操作力，油壓壓力一般在5-140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達160公斤以上。主要優(yōu)點：液壓執(zhí)行元件(馬達和油缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。可通過液壓油帶走大量熱能，保證機械的正常運行，并由于液壓油的潤滑作用，可延長元件的使用壽命。液壓元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調(diào)節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。響應(yīng)速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。液壓元件于其他驅(qū)動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。缺點：(1)液壓控制需要一套液壓系統(tǒng)，不像電力容易獲得，而且價格較貴。

(2)油溫有上限，并難以保持不漏，比較臟，易于使閥和執(zhí)行元件堵塞。控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號的數(shù)學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便?？傮w系統(tǒng)圖圖2-4-1總體系統(tǒng)圖總體系統(tǒng)圖如圖2-4-1所示工作過程：小臂伸長一手部抓緊一腕部回轉(zhuǎn)一小臂回轉(zhuǎn)一小臂收縮一手部放松⑶電磁鐵動作順序表：表2-4-1總體系統(tǒng)圖元件動作1DT2DT3DT4DT5DT小臂伸長-++--手部抓緊-+---腕部回轉(zhuǎn)-+-+-小臂收縮手部放松卸荷+土土土土確電機規(guī)格：液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力P=10Mpa,工作流量在32?70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，因此：傳動功率N=PxQ/門式中：n=0.8(經(jīng)驗值)所以代入公式得：N=10X80X103X106/60X0.8=16.7KN選取電動機JQZ-61-2型電動機，額定功率17KW，轉(zhuǎn)速為2940r/min。2.5機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計機身是直接支承和傳動手臂的部件。一般實現(xiàn)臂部的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者就直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜，機身既可以是固定式的，也可以是行走式的，如圖2-5-1圖2-5-1機身機座結(jié)構(gòu)圖臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手機構(gòu)的總體布局。本課題機械手機構(gòu)的機身設(shè)計成機座式，這樣機械手機構(gòu)可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構(gòu)。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型機械手機構(gòu)。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運動。手臂的回轉(zhuǎn)由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動了機身的旋轉(zhuǎn)，從而達到了自由度的要求。2.6電機的選擇機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉(zhuǎn)運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉(zhuǎn)的電機安裝在混凝土地基上。帶動臂部升降的電機：初選上升速度V=100mm/sP=6KW所以n=(100/6)X60=1000轉(zhuǎn)/分選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為1(014)即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。如表2-6-1Y90S-4電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示：表2-6-1Y90S-4電動機技術(shù)數(shù)據(jù)型號額定功滿載時堵轉(zhuǎn)電堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)最大轉(zhuǎn)率KW電流A轉(zhuǎn)速效率％功率因流矩矩r/min素額定電額定轉(zhuǎn)額定轉(zhuǎn)流矩矩Y90S-41.12.71400790.786.52.22.22.7減速器的選擇減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉(zhuǎn)速和增轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。初選WD80型圓柱蝸桿減速器。WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。蝸桿的材料為38siMnMo調(diào)質(zhì)蝸輪的材料為ZQA19-4中心矩a=80MsXq=4.0X11傳動比I=30傳動慣量0.265X10"3kg-m22.8螺柱的設(shè)計與校核螺桿是機械手機構(gòu)的主支承件，并傳動使手臂上下運動。螺桿的材料選擇：從經(jīng)濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。螺距P=6mm梯形螺紋螺紋的工作高度h=0.5P=3mm螺紋牙底寬度b=0.65P=0.65X6=3.9mm螺桿強度^]=os/3~5二30?50Mpa螺紋牙剪切h]=40彎曲la『=45?55(1)當量應(yīng)力b=I[業(yè)j2+3^_^j<&]〔回2II0.2d3)

17'1y式中T傳遞轉(zhuǎn)矩N?mm[。]——螺桿材料的許用應(yīng)力所以代入公式得：a=\：'(4x200x9.8/"d；)2+3(200x9.8x0.6/0.2d「)2=「(2495/d2)2+(61.2/d3)2<30~50x106'11=(2495/di2)2+3(61.2/d「)2W900?2500X1012=6225025/d4+11236/d6^900?2500X1012116225025d2+11236W900d6X1012116225025X0.0292+11236^900X0.0296X1012即16471paV535340pa合格(2)剪切強度Z=H/P=160/6(旋合圈數(shù))T=F/^dbz二200X9.8/nX0.029X3.9X(160/6)X10-3二206.8X103pa=0.206MpaV[T]=40Mpa(3)彎曲強度b=3Fh/兀db2zb1=3X200X9.8X3/nX2.9X3.92X(160/6)=0.48MpaV[。]=45Mpa合格三、機械手控制系統(tǒng)的設(shè)計S7-200是一種小型的可編程控制器，適用于各行各業(yè)，各種場合中的檢測、監(jiān)測及控制的自動化。S7-200系列的強大功能使其無論在獨立運行中，或相連成網(wǎng)絡(luò)皆能實現(xiàn)復(fù)雜控制功能。因此S7-200系列具有極高的性能/價格比。3.1西門子PLC的I/O分配根據(jù)機械手動作的要求，輸入、輸出分配如表3-1所示。因為西門子S7-200CPU226輸入端子為24個，輸出端子為16個，而所需的輸入端子為25，所以外界一個EM223拓展模塊。

表3-1PLC輸入/輸出分配表輸入信號輸出信號手動SAI0.0上升/下降步進電機YA0Q0.0回原位SAI0.1YA1Q0.1連續(xù)SAI0.2YA2Q0.2回原位SB1I0.3前進/后退步進電機YA3Q0.3啟動SB2I0.4YA4Q0.4停止SB3I0.5YA5Q0.5下降SB4I0.6夾緊YA6Q0.6上升SB5I0.7手順轉(zhuǎn)YA7Q0.7夾緊SB6I1.0手逆轉(zhuǎn)YA8Q1.0松開SB7I1.1底盤順轉(zhuǎn)YA9Q1.1手順轉(zhuǎn)SB8I1.2底盤逆轉(zhuǎn)YA10Q1.2手逆轉(zhuǎn)SB9I.13底盤順轉(zhuǎn)SB10I1.4底盤逆轉(zhuǎn)SB11I1.5下限位SQ1I1.6上限位SQ2I1.7前限位SQ3I2.0后限位SQ4I2.1底盤順限位SQ5I2.2底盤逆限位SQ6I2.3手順限位SQ7I2.4手逆限位SQ8I2.5底旋轉(zhuǎn)脈沖I2.6前行SB12I2.7后退SB13I3.03.2自動操作程序自動操作順序功能流程圖見圖3-4所示。當機械手處于原位時，按啟動I0.4接通，狀態(tài)轉(zhuǎn)移到S1,