機(jī)械手畢業(yè)論文

內(nèi)容提要機(jī)械手因其較高靈活性和通用性，在生活、制造等各個(gè)領(lǐng)域中都扮演著極其重要的角色。它可以搬運(yùn)貨物，分揀物品，并能夠在在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身平安，代替人的繁重勞動(dòng)，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、輕工以及需求物品搬運(yùn)等各種場(chǎng)所。本文在縱觀了近來機(jī)械手開展?fàn)顩r的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械手方面的設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)用于直升機(jī)模擬搜救的機(jī)械手技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，并就其結(jié)構(gòu)的合理性以及應(yīng)用的可實(shí)施性提出了合理化方案。采用整體化的設(shè)計(jì)思想，充分考慮了軟、硬件各自的特點(diǎn)并進(jìn)行互補(bǔ)優(yōu)化。對(duì)直升機(jī)模擬搜救機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)。在其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)中選擇PLC的控制單元來完成系統(tǒng)功能的初始化、機(jī)械手的移動(dòng)、故障報(bào)警等功能。通過以上局部的工作，得出了經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用型、高可靠型直升機(jī)模擬搜救機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案。關(guān)鍵詞機(jī)械手；控制；編程TheHelicopterRescueRobotSimulationDesignandApplication06060629PengfeiQiaoFacultyadviserBingxinHouengineerAbstractBecauseofitshighflexiblemanipulatorsanduniversality,inlife,invariousfieldssuchasplaysaveryimportantrole.Itcancarrygoods,articles,andcanbesortedinharmfulenvironmenttoprotectpersonalsafetyoperation,insteadofheavylabor,therefore,arewidelyusedinmachinerymanufacturing,lightindustryandthedemandforhandlingitems.Basedonthereviewofthedevelopmentinrecentyearsmanipulatorbasedonthedesignofmanipulator,insearchofthemanipulatorusedhelicopterssimulationtechnologysystematicallyanalyzed,anditsstructurerationalityandapplicationofconstructabilityputforwardrationalizationplan.Adoptsintegrativedesignideas,fullconsiderationofthecharacteristicsofthesoftwareandhardwareandcomplementaryoptimization.Thehelicopterrescuemanipulatortosimulatetheoverallstructure,structure,drivingsystemandcontrolsystemanalysisanddesign.Initsdrivesystemusedinthehydrauliccontrolsystem,PLCcontrolunittochoosethesystemfunction,themobilemanipulatorinitialization,faultalarmfunctions.Throughtheabovework,economicalandpractical,highreliabilitymodelofthemanipulatorrescuehelicoptersimulationdesignscheme.KeywordsManipulator,Control,Programming,目錄TOC\o"3"\h\z\u第一章前言 .研究的目的及意義 .2機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和開展趨勢(shì) .3主要研究的內(nèi)容 2.4解決的關(guān)鍵問題 3第二章夾持裝置 32.夾持裝置設(shè)計(jì)的基本要求 32.2夾持裝置設(shè)計(jì). 42.2.夾緊力計(jì)算 42.2.2驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 52.3手爪的夾持誤差及分析 52.4楔塊等尺寸確實(shí)定 72.4.斜楔的傳動(dòng)效率 8與確實(shí)定 9確定 9確定 9第三章腕部 03.腕部設(shè)計(jì)的基本要求 03.2具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的典型腕部結(jié)構(gòu) 03.3腕部結(jié)構(gòu)計(jì)算 23.3.腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 23.3.2回轉(zhuǎn)液壓缸所驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 23.3.3回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D計(jì)算 33.3.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 43.3.5腕部軸承選擇 5第四章伸縮臂設(shè)計(jì) 64.伸縮臂設(shè)計(jì)基本要求 64.2方案設(shè)計(jì) 74.3.伸縮臂液壓缸參數(shù)計(jì)算 84.3.工作負(fù)載R 84.3.2液壓缸缸筒內(nèi)徑D確實(shí)定 94.3.3活塞桿設(shè)計(jì)參數(shù)及校核 94.3.4缸筒設(shè)計(jì)參數(shù)及校核 204.4導(dǎo)向桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 24.4.導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用 24.4.2導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的外形尺寸及材料 2第五章驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 2第六章PLC控制系統(tǒng) 2致謝 22參考文獻(xiàn) 23直升機(jī)模擬搜救機(jī)械手設(shè)計(jì)與應(yīng)用第一章前言.研究的目的及意義近來各種災(zāi)難在世界范圍內(nèi)頻頻發(fā)生，面對(duì)無法抗拒的自然力，災(zāi)后救援工作無疑成為減少傷害的最為有效措施。而面對(duì)災(zāi)后癱瘓的交通運(yùn)輸條件，直升機(jī)空中搜救成為了更有效的措施，尤其是在近兩國(guó)內(nèi)的地震救災(zāi)中，因地震導(dǎo)致地面路況嚴(yán)重?fù)p壞，在搶救的黃金時(shí)間段內(nèi)，只有通過空中投降救援，才能爭(zhēng)取到更多的時(shí)間，從而挽救更多災(zāi)區(qū)人民的珍貴生命，這也自然對(duì)空中救援技術(shù)提出了更高的要求，而機(jī)械手作為實(shí)施救援的最為有效和關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，更是成為了救援成功與否的決定性因素。在該機(jī)械手的設(shè)計(jì)中引用液壓驅(qū)動(dòng)以及PLC控制等成熟的驅(qū)動(dòng)和控制技術(shù)，更是提供了該類機(jī)械手的通用性，經(jīng)濟(jì)型，可控性。本設(shè)計(jì)主要完成機(jī)械手的硬件局部設(shè)計(jì)。.2機(jī)械手在國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和開展趨勢(shì)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高熱等惡劣環(huán)境中的工作；代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用于制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的開展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。目前，國(guó)際上的機(jī)械手公司主要分為日系和歐系。日系中主要有安川、oTC、松下、FANLUC、不二越、川崎等公司的產(chǎn)品。歐系中主要有德國(guó)的KUKA、CLOOS、瑞典的ABB、意大利的C0毗U及奧地利的工GM公司。我國(guó)機(jī)械手起步于20世紀(jì)70代初期，經(jīng)過30多開展，大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：70代萌芽期，80代的開發(fā)期和90代的應(yīng)用化期。在我國(guó)，機(jī)械手市場(chǎng)份額大局部被國(guó)外機(jī)械手企業(yè)占據(jù)著。在國(guó)際強(qiáng)手面前，國(guó)內(nèi)的機(jī)械手企業(yè)面臨著相當(dāng)大的競(jìng)爭(zhēng)壓力。如今我國(guó)正從一個(gè)“制造大國(guó)”向“制造強(qiáng)國(guó)”邁進(jìn)，中國(guó)制造業(yè)面臨著與國(guó)際接軌、參與國(guó)際分工的巨大挑戰(zhàn)，對(duì)我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化的提高迫在眉睫，政府務(wù)必會(huì)加大對(duì)機(jī)器人的資金投入和政策支持，將會(huì)給機(jī)械手產(chǎn)業(yè)開展注入新的動(dòng)力。隨著機(jī)械手開展的深度和廣度以及機(jī)器人智能水平的提高，機(jī)械手已在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。從傳統(tǒng)的汽車制造領(lǐng)域向非制造領(lǐng)域延伸。如采礦機(jī)器人、建筑業(yè)機(jī)器人以及水電系統(tǒng)用于維護(hù)維修的機(jī)器人等。在國(guó)防軍事、醫(yī)療衛(wèi)生、食品加工、生活效勞等領(lǐng)域機(jī)械手的應(yīng)用也越來越多。在未來幾，傳感技術(shù)，激光技術(shù)，工程網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將會(huì)被廣泛應(yīng)用在機(jī)械手工作領(lǐng)域，這些技術(shù)會(huì)使機(jī)械手的應(yīng)用更為高效，高質(zhì)，運(yùn)行本錢低。據(jù)猜測(cè)，今后機(jī)器人將在醫(yī)療、保健、生物技術(shù)和產(chǎn)業(yè)、教育、救災(zāi)、海洋開發(fā)、機(jī)器維修、交通運(yùn)輸和農(nóng)業(yè)水產(chǎn)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。.3主要研究的內(nèi)容隨著機(jī)械手技術(shù)的飛速開展和機(jī)械手應(yīng)用領(lǐng)域的不斷深化，不僅要求其控制可靠性強(qiáng)、使用靈活性高和操作靈活性好，還要其本錢低、可開發(fā)經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)。本論文主要研究物料分揀機(jī)械手以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：直升機(jī)模擬搜救械手執(zhí)行系統(tǒng)的分析與選擇執(zhí)行系統(tǒng)是由傳動(dòng)部件與機(jī)械構(gòu)件組成，是機(jī)械手賴以實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)的實(shí)體。主要包括機(jī)身、手臂、末端執(zhí)行器3局部組成，其中每一局部都可以具有假設(shè)干的自由度。執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是對(duì)機(jī)械手的手部、腕部，以及手臂進(jìn)行設(shè)計(jì)。直升機(jī)模擬搜救機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分析與選擇驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是向執(zhí)行系統(tǒng)各局部提供動(dòng)力的裝置。通過對(duì)液壓、氣壓、電氣三種驅(qū)動(dòng)方式的比較，本設(shè)計(jì)選擇液壓驅(qū)動(dòng)的方式。內(nèi)容是液壓元件的選擇及其工作原理。直升機(jī)模擬搜救機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，讓執(zhí)行系統(tǒng)按規(guī)定的要求和時(shí)序進(jìn)行工作。本機(jī)械手采用可編程控制器（PLC）對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。.4解決的關(guān)鍵問題解決機(jī)械械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題，要求機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、具有一定的代表性。2執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)精度的問題。3機(jī)械手的控制系統(tǒng)，解決工件和控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。4元件的匹配規(guī)則和知識(shí)的獲取及其表達(dá)形式。第二章夾持裝置2.夾持裝置設(shè)計(jì)的基本要求（）應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力；（2）手指應(yīng)具有一定的開閉范圍；（3）應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；（4）要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高；（5）應(yīng)考慮通用性和特殊要求。設(shè)計(jì)參數(shù)及要求（）采用手指式夾持器，執(zhí)行動(dòng)作為抓緊—放松；（2）所要抓緊的工件直徑為80mm放松時(shí)的兩抓的最大距離為020mm/s,s抓緊,夾持速度20mm/s；（3）工件的材質(zhì)為5kg，材質(zhì)為45#鋼；（4）夾持器有足夠的夾持力；（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由液壓缸提供動(dòng)力。2.2夾持裝置設(shè)計(jì).2.2.夾緊力計(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)其大小、方向、作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計(jì)算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對(duì)工件的夾緊力可按以下公式計(jì)算：式中:—平安系數(shù)，由機(jī)械手的工藝及設(shè)計(jì)要求確定,通常取.2——2.0，取.5；—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，計(jì)算最大加速度，得出工作情況系數(shù),，a為機(jī)器人搬運(yùn)工件過程的加速度或減速度的絕對(duì)值（m/s）；—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定，手指與工件位置：手指水平放置工件垂直放置；手指與工件形狀：型指端夾持圓柱型工件，，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計(jì)算,如圖2.圖2.夾持載荷示意圖—被抓取工件的重量求得夾緊力，，取整為77N。2.2.2驅(qū)動(dòng)力計(jì)算根據(jù)驅(qū)動(dòng)力和夾緊力之間的關(guān)系式：式中：c—滾子至銷軸之間的距離；b—爪至銷軸之間的距離；—楔塊的傾斜角可得，得出為理論計(jì)算值，實(shí)際采取的液壓缸驅(qū)動(dòng)力要大于理論計(jì)算值，考慮手爪的機(jī)械效率，一般取0.8～0.9，此處取0.88，則：，取2.3手爪的夾持誤差及分析機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機(jī)械手定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關(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，防止產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，見圖24，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機(jī)械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補(bǔ)償能力。圖2.2夾持不同直徑工件時(shí)的加持誤差其中,為工件半徑，,工件直徑為80mm，尺寸偏差，則，，。本設(shè)計(jì)為楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器，屬于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指夾持，如圖2.3。圖2.3楔塊杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器假設(shè)把工件軸心位置C到手爪兩支點(diǎn)連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關(guān)系有：簡(jiǎn)化為：該方程為雙曲線方程，如圖2.4：圖2.4工件半徑與夾持誤差關(guān)系曲線由上圖得，當(dāng)工件半徑為時(shí)，X取最小值，又從上式可以求出：，通常取假設(shè)工件的半徑變化到時(shí)，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。在設(shè)計(jì)中，希望按給定的和來確定手爪各局部尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長(zhǎng)手指長(zhǎng)度，但手指過長(zhǎng)，使其結(jié)構(gòu)增大；另一方面可選取適宜的偏轉(zhuǎn)角，使夾持誤差最小，這時(shí)的偏轉(zhuǎn)角稱為最正確偏轉(zhuǎn)角。只有當(dāng)工件的平均半徑取為時(shí)，夾持誤差最小。此時(shí)最正確偏轉(zhuǎn)角的選擇對(duì)于兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng)a值較大時(shí)），偏轉(zhuǎn)角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時(shí)，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。為防止上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角，即下式：其中,,型鉗的夾角代入得出：則則，此時(shí)定位誤差為和中的最大值。分別代入得：，所以，，夾持誤差滿足設(shè)計(jì)要求。由以上各值可得：取值為。2.4楔塊等尺寸確實(shí)定楔塊進(jìn)入杠桿手指時(shí)的力分析如下：圖2.5夾持示意圖上圖2.5中—斜楔角，＜時(shí)有增力作用；—滾子與斜楔面間當(dāng)量摩擦角，，為滾子與轉(zhuǎn)軸間的摩擦角，為轉(zhuǎn)軸直徑，為滾子外徑，，為滾子與轉(zhuǎn)軸間摩擦系數(shù);—支點(diǎn)至斜面垂線與杠桿的夾角；—杠桿驅(qū)動(dòng)端桿長(zhǎng)；—杠桿夾緊端桿長(zhǎng)；—杠桿傳動(dòng)機(jī)械效率2.4.斜楔的傳動(dòng)效率斜楔的傳動(dòng)效率可由下式表示：杠桿傳動(dòng)機(jī)械效率取0.834，取0.，取0.5，則可得=,，取整得=。2.4.2斜楔驅(qū)動(dòng)行程與手指開閉范圍當(dāng)斜楔從松開位置向下移動(dòng)至夾緊位置時(shí)，沿兩斜面對(duì)稱中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程為L(zhǎng)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的杠桿手指由位置轉(zhuǎn)到位置，其驅(qū)動(dòng)行程可用下式表示：杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：通常狀態(tài)下，在左右范圍內(nèi)，則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條件可知最大為5560mm,最小設(shè)定為30mm.即。已知，可得，有圖關(guān)系：圖2.6楔塊可知：楔塊下邊為60mm，支點(diǎn)O距中心線30mm，且有，解得：與確實(shí)定斜楔傳動(dòng)比可由下式表示：可知一定時(shí)，愈大，愈大，且杠桿手指的轉(zhuǎn)角在范圍內(nèi)增大時(shí)，傳動(dòng)比減小，即斜楔等速前進(jìn)，杠桿手指轉(zhuǎn)速逐漸減小，則由分配距離為：，。確定由前式得：，，取。確定為沿斜面對(duì)稱中心線方向的驅(qū)動(dòng)行程，有以以下圖中關(guān)系圖2.7驅(qū)動(dòng)行程，取，則楔塊上邊長(zhǎng)為8.686，取9mm.2.5材料及連接件選擇V型指與夾持器連接選用圓柱銷，d=8mm,需使用2個(gè)杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=8mm,需使用2個(gè)滾子與手指連接選用圓柱銷，d=6mm,需使用2個(gè)以上材料均為鋼，無淬火和外表處理楔塊與活塞桿采用螺紋連接，基本尺寸為公稱直徑2mm，螺距p=，旋合長(zhǎng)度為0mm。第三章腕部3.腕部設(shè)計(jì)的基本要求手腕部件設(shè)置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，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，此設(shè)計(jì)中要求有繞中軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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。而且，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。3.2具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的典型腕部結(jié)構(gòu)如圖3.所示，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸，實(shí)現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從A—A剖視圖上可以看到，回轉(zhuǎn)葉片（簡(jiǎn)稱動(dòng)片）用螺釘，銷釘和轉(zhuǎn)軸0連接在一起，定片8則和缸體9連接。壓力油分別由油孔5.7進(jìn)出油腔，實(shí)現(xiàn)手部2的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動(dòng)，靜片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于），圖中缸可回轉(zhuǎn)。腕部旋轉(zhuǎn)位置控制問題，可采用機(jī)械擋塊定位。當(dāng)要求任意點(diǎn)定位時(shí)，可采用位置檢測(cè)元件（如本例為電位器，其軸安裝在件左端面的小孔）對(duì)所需位置進(jìn)行檢測(cè)并加以反響控制。圖3.用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)圖中：手部驅(qū)動(dòng)液壓缸2回轉(zhuǎn)液壓缸3通用手部的結(jié)管4腕部5左進(jìn)油孔6通向擺動(dòng)缸油管7右進(jìn)油孔8固定葉片9缸體0回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)葉片2手部圖示手部的開閉動(dòng)作采用單作用液壓缸，只需一個(gè)油管。通向手部驅(qū)動(dòng)液壓缸的油管是從回轉(zhuǎn)中心通過，腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，油路認(rèn)可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉(zhuǎn)。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉(zhuǎn)液壓缸）由手臂內(nèi)通過并經(jīng)腕架分別進(jìn)入回轉(zhuǎn)液壓缸和手部驅(qū)動(dòng)液壓缸。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)，參考上圖典型結(jié)構(gòu)。3.3腕部結(jié)構(gòu)計(jì)算3.3.腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服的阻力有：腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩式中，—軸承處支反力（N），可由靜力平衡方程求得;,—軸承的直徑（m）；—軸承的摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承=0.00.02；對(duì)于滑動(dòng)軸承=0.。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取，如圖3.所示，其中，為工件重量，為手部重量，為手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重量。圖3.2腕部載荷示意3.3.2回轉(zhuǎn)液壓缸所驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩如圖3.3，定片與缸體2固連，動(dòng)片3與轉(zhuǎn)軸5固連，當(dāng)a,b口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，到達(dá)手腕回轉(zhuǎn)的目的。圖3.3回轉(zhuǎn)缸簡(jiǎn)圖圖中：定片2缸體3動(dòng)片4密封圈5轉(zhuǎn)軸圖3.4回轉(zhuǎn)液壓缸計(jì)算圖圖中：動(dòng)片2輸出軸3定片圖3.4為回轉(zhuǎn)液壓缸的進(jìn)油腔壓力油液，作用在動(dòng)片上的合成液壓力矩即驅(qū)動(dòng)力矩。或式中——手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的總的阻力矩——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力（Pa）——缸體內(nèi)孔半徑（m）——輸出軸半徑（m），設(shè)計(jì)時(shí)按選取——?jiǎng)悠瑢挾龋╩）上述動(dòng)力距與壓力的關(guān)系是設(shè)定為低壓腔背壓力等于零。3.3.3回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑D計(jì)算由，得：，為減少動(dòng)片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度時(shí)，選用：綜合考慮，取值計(jì)算如下：r=6mm，R=40mm，b=50mm，取值為Mpa，即如以以下圖：圖3.5回轉(zhuǎn)缸圖中：動(dòng)片2定片3.3.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算圖3.6缸蓋螺釘間距示意上圖中表示的連接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)截面上承受的拉力為：，即工作拉力與剩余預(yù)緊力之和計(jì)算如下：液壓缸工作壓強(qiáng)為P=Mpa,所以螺釘間距小于50mm,試選擇2個(gè)螺釘，，所以選擇螺釘數(shù)目適宜Z=2個(gè)受力截面，此處連接要求有密封性，故k?。?5.8），取K=.6。所以螺釘材料選擇Q235，，平安系數(shù)n取.5（.52.2）螺釘?shù)闹睆接上率降贸觯現(xiàn)為總拉力即螺釘?shù)闹睆竭x擇d=8mm.3.3.5腕部軸承選擇腕部材料選擇HT200，，估計(jì)軸承所受徑向載荷為50N,軸向載荷較小，忽略。兩處均選用深溝球軸承。現(xiàn)校核較小軸徑處軸承。6005軸承基本數(shù)據(jù)如下：，當(dāng)量動(dòng)載荷，載荷系數(shù)取，，則，由公式：N為轉(zhuǎn)速，由0.5s完成回轉(zhuǎn)，計(jì)算得：，，球軸承代入得：，遠(yuǎn)大于軸承額定壽命。選用軸承為深溝球軸承6005，6008。3.3.6材料及連接件，密封件選擇右端軸承端蓋與腕部回轉(zhuǎn)缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個(gè)。右缸蓋與缸體連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個(gè)。左缸蓋與缸體及法蘭盤連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個(gè)。選用墊圈防松，，公稱尺寸為5。右端軸承端蓋與腕部回轉(zhuǎn)缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個(gè)。為定位作用，軸左側(cè)增加一個(gè)套筒，材料為HT200，尺寸如下：圖3.7套筒動(dòng)片與輸出軸連接選用六角頭螺栓全螺紋，，需用2個(gè)。密封件選擇：全部選用氈圈油環(huán)密封，材料為半粗羊毛氈。右端蓋d=40mm,左右缸蓋d=25mm。第四章伸縮臂設(shè)計(jì)4.伸縮臂設(shè)計(jì)基本要求設(shè)計(jì)機(jī)械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機(jī)械手，完成直線伸縮動(dòng)作。（）功能性的要求機(jī)械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動(dòng)換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動(dòng)作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)。（2）適應(yīng)性的要求為便于調(diào)整，適應(yīng)工件大小不同的要求，起止位置要方便調(diào)整，要求設(shè)置可調(diào)式定位機(jī)構(gòu)。為了控制慣性力，減少運(yùn)動(dòng)沖擊，動(dòng)力的大小要能與負(fù)載大小相適應(yīng)，如步進(jìn)電機(jī)通過程序設(shè)計(jì)改變運(yùn)動(dòng)速度，力矩電機(jī)通過調(diào)整工作電壓，改變堵力矩的大小，到達(dá)工作平穩(wěn)、動(dòng)作快捷、定位準(zhǔn)確的要求。（3）可靠性的要求可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預(yù)定使用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。工業(yè)機(jī)械手可自動(dòng)完成預(yù)定工作，廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，因此要求機(jī)械手工作必須可靠。設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行可靠性分析。（4）壽命的要求產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時(shí)因磨損而使性能下降在允許范圍內(nèi)而且無需大修的連續(xù)工作期限。設(shè)計(jì)中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤(rùn)滑措施、合理設(shè)計(jì)零件的形面等。因各零部件難以設(shè)計(jì)成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。（5）經(jīng)濟(jì)的要求機(jī)械產(chǎn)品設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性包括設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性和使用的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品的制造本錢構(gòu)成中材料費(fèi)、加工費(fèi)占有很大的比重，設(shè)計(jì)時(shí)必須給予充分注意。將機(jī)械設(shè)計(jì)課程中學(xué)到的基本設(shè)計(jì)思想貫穿到設(shè)計(jì)中。（6）平安保護(hù)和自動(dòng)報(bào)警的要求按標(biāo)準(zhǔn)要求，采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，確保操作人員的人身平安，這是任何設(shè)計(jì)都必須考慮的，是必不可少的。在程序設(shè)計(jì)中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機(jī)構(gòu)卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設(shè)置報(bào)警裝置。設(shè)計(jì)參數(shù)（）伸縮長(zhǎng)度：300mm； （2）單方向伸縮時(shí)間：.5～2.5S；（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；（4）前端安裝機(jī)械手，伸縮終點(diǎn)無剛性沖擊；4.2方案設(shè)計(jì)液壓驅(qū)動(dòng)方案（）伸縮原理采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時(shí)采用單向調(diào)速閥進(jìn)行回油節(jié)流調(diào)速，接近終點(diǎn)時(shí)，發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行調(diào)速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導(dǎo)向桿導(dǎo)向防止轉(zhuǎn)動(dòng)，采用電液換向閥，控制伸縮方向。（圖4.）圖4.伸縮缸液壓圖圖中：支座2油缸3鉸鏈接頭4法蘭5直線導(dǎo)軌6底板設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)及要求：電磁閥流量：要滿足伸縮速度的要求。②油缸直徑：推力大小要能克服機(jī)構(gòu)起動(dòng)慣性并有一定的起動(dòng)加速度，要滿足運(yùn)動(dòng)時(shí)間要求。③導(dǎo)向桿剛度：按最長(zhǎng)伸出時(shí)機(jī)械手端部的撓度不超過規(guī)定要求。④定位方式和元件：自選。（3）結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及強(qiáng)度和剛度計(jì)算伸縮臂運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖見圖4結(jié)構(gòu)方案說明a：支座安裝在機(jī)器人床身上，用于安裝伸縮臂油缸和導(dǎo)向桿等零部件。b：法蘭4用于安裝機(jī)械手，其形式和尺寸要與機(jī)械手相協(xié)調(diào)。c：液壓缸伸出桿帶動(dòng)導(dǎo)向桿同時(shí)伸出300mm，伸出長(zhǎng)度較大，設(shè)計(jì)、制造和安裝時(shí)要考慮液壓缸與導(dǎo)向桿的平行度要求。d：導(dǎo)向桿可采用直線導(dǎo)軌或直線導(dǎo)軸。直線導(dǎo)軌可選用外購件，直接從生產(chǎn)廠家的有關(guān)資料中獲得所需參數(shù)（網(wǎng)上查詢直線導(dǎo)軌、直線導(dǎo)軸）。采用直線導(dǎo)軸時(shí)可自行設(shè)計(jì)，并且要考慮導(dǎo)向桿的潤(rùn)滑，潤(rùn)滑方式參考有關(guān)手冊(cè)設(shè)計(jì)。4.3.伸縮臂液壓缸參數(shù)計(jì)算4.3.工作負(fù)載R液壓缸的工作負(fù)載R是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下，以一定加速度啟動(dòng)時(shí)對(duì)液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即：式中：工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重對(duì)液壓缸產(chǎn)生的作用力；工作機(jī)構(gòu)在滿載啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦力；工作機(jī)構(gòu)滿載啟動(dòng)時(shí)的慣性力。()確實(shí)定工件的質(zhì)量m=5.9(kg)②夾持器的質(zhì)量5kg(已知)③伸縮臂的質(zhì)量50kg(估計(jì))④其他部件的質(zhì)量5kg(估計(jì))工作機(jī)構(gòu)荷重：Ri=(5.9+5+50+5)*0=859(N)取Ri=860N(2)確實(shí)定Rm=(N)(3)確實(shí)定Rg=(N)式中：為啟動(dòng)時(shí)間，其加速時(shí)間約為0.～0.5s=0.s,=0.2s總負(fù)載R=Ri+Rg+Rm=860+72+72=204(N)取實(shí)際負(fù)載為=2004.3.2液壓缸缸筒內(nèi)徑D確實(shí)定D=式中：R=000<5000,p可取0.8～,=取液壓缸缸筒內(nèi)徑為40mm。4.3.3活塞桿設(shè)計(jì)參數(shù)及校核()活塞桿材料：選擇45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼，其抗拉強(qiáng)度=570(2)活塞桿的直徑：當(dāng)壓力小于0Mpa時(shí)，速比=.33。則可選取活塞桿直徑為20mm系列，且缸筒的厚度為5mm。最小導(dǎo)向長(zhǎng)度：mm4.3.4缸筒設(shè)計(jì)參數(shù)及校核()缸筒材料：選擇ZG30570鑄鋼,其抗拉強(qiáng)度=570(2)缸筒壁厚及校核：取壁厚=5mm因此屬于普通壁厚缸筒壁厚的校核式中：缸筒內(nèi)最高工作壓力；=7材料的許用應(yīng)力材料的平安系數(shù)=5校核符合要求(3)缸筒外徑：4.3.5液壓油缸其他零件結(jié)構(gòu)尺寸得確定由于液壓缸的工作負(fù)載較小，所以選定液壓缸的工作壓力為低壓。取額定工作壓力為2.0。液壓缸的基本形式如以以下圖所示：圖4.2液壓缸整個(gè)油缸安裝在下部伸縮臂基座上。（）活塞與活塞桿得連接結(jié)構(gòu)：油缸在一般工作條件下，活塞與活塞桿采用螺紋連接。其形式如以下圖（2）活塞桿導(dǎo)向套：做成一個(gè)套筒，壓入缸筒，靠缸蓋與缸筒得連接壓緊固定，材料選用鑄鐵材料。（3）活塞與缸體得密封。采用O型密封圈密封。選用36.5內(nèi)徑，截面直徑為3.55mm.