搬運機械手的設(shè)計論文(完整版)

摘要隨著工業(yè)自動化的普及和發(fā)展，控制器的需求量逐年增大，搬運機械手的應(yīng)用也逐漸普及，主要在汽車，電子，機械加工、食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域的生產(chǎn)流水線或貨物裝卸調(diào)運,可以更好地節(jié)約能源和提高運輸設(shè)備或產(chǎn)品的效率，以降低其他搬運方式的限制和不足，滿足現(xiàn)代經(jīng)濟發(fā)展的要求。搬運機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，在本設(shè)計中，通過對機械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，臂部結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以及液壓系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)四自由度的運動，完成了搬運機械手的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計。關(guān)鍵詞：搬運機械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計；液壓系統(tǒng)；四自由度

ABSTRACTWiththepopularizationanddevelopmentofindustrialautomation,controldemandincreasedyearbyyear,carryingmanipulatorapplicationalsograduallypopular,mainlyintheautomotive,electronics,machinery,food,medicineandotherfieldsofproductionlinesorcargotransport,canbebettertosaveenergyandimprovetheefficiencyoftransportequipmentorproducts,inordertoreduceotherhandlingthelimitationandinadequacy,meettheneedsofmoderneconomicdevelopment.Manipulatorisakindofautomaticpositioningcontrolandcanbeprogrammedtochangethemulti-functionmachines,Inthisdesign,throughthemechanicalhandarmstructuredesign,structuredesign,andthedesignofthehydraulicsystem,toachievefourdegreesoffreedommovement,completedthemanipulatorsystemstructuredesign.Keywords：manipulator；structuredesign；hydraulicsystem；fourdegreesoffreedommovement

目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 11.1設(shè)計背景 11.2機械手簡介 11.2.1機械手的發(fā)展概況 11.2.2機械手的應(yīng)用意義 21.2.3搬運機械手的應(yīng)用簡況 31.2.4機械手的發(fā)展趨勢 41.3PLC概況及在機械手中的應(yīng)用 41.4設(shè)計目的 61.5設(shè)計原則 61.6本設(shè)計的主要內(nèi)容 72.搬運機械手的整體設(shè)計 82.1執(zhí)行機構(gòu) 82.2驅(qū)動系統(tǒng) 92.3控制系統(tǒng) 92.4位置檢測裝置 93手部結(jié)構(gòu) 103.1概述 103.2設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題 103.3驅(qū)動力的計算 103.4兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 123.5手抓加持范圍計算 124臂部的設(shè)計 144.1臂部設(shè)計的基本要求 144.2手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 154.2.1手臂的典型運動機構(gòu) 154.2.2手臂運動機構(gòu)的選擇 154.3手臂直線運動的驅(qū)動力計算 154.3.1手臂摩擦力的分析與計算 154.3.2手臂慣性力的計算 164.3.3密封裝置的摩擦阻力 175臂部運動驅(qū)動力計算 185.1臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算 185.2手臂回轉(zhuǎn)運動 195.3臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算 196液壓系統(tǒng)的設(shè)計 216.1液壓系統(tǒng)簡介 216.2液壓系統(tǒng)的組成 216.3機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 216.3.1壓力控制回路 216.3.2速度控制回路 226.3.3方向控制回路 236.4機械手的液壓傳動系統(tǒng) 236.4.1上料機械手的動作順序 236.4.2自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理 236.5機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算 266.5.1雙作用單桿活塞油缸 266.5.2無桿活塞油缸 287PLC控制回路的設(shè)計 307.1機械手工作流程 307.2電磁鐵動作順 307.3器件分配 317.4PLC梯形圖PLC指令表 327.5PLC指令表 33結(jié)論 35致謝 36參考文獻 371緒論1.1設(shè)計背景機械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手能代替人類完成危險、重復(fù)枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產(chǎn)力。機械手越來越廣泛的得到了應(yīng)用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設(shè)備和機械手共同構(gòu)成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強。當(dāng)工件變更時，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產(chǎn)水平的提高，從經(jīng)濟上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設(shè)計是非常有意義的。1.2機械手簡介1.2.1機械手的發(fā)展概況(1)機械手的發(fā)展機械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入以通用機械手為標(biāo)志的時代。由于通用機械手的應(yīng)用和發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。智能機器人涉及的知識內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)和假肢工藝等，因此它是一項綜合性較強的新技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一新技術(shù)都很重視，幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷地修改，品種在不斷地增加，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷地擴大。早在40年代，隨著原子能工業(yè)的發(fā)展，已出現(xiàn)了模擬關(guān)節(jié)式的第一代機械手。50～60年代即制成了傳送和裝卸工件的通用機械手和數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。這種機械手也稱第二代機械手。如尤尼曼特(Unimate)機械手即屬于這種類型。60～70年代，又相繼把通用機械手用于汽車車身的點焊和沖壓生產(chǎn)自動線上，亦即是第二代機械手這一新技術(shù)進入了應(yīng)用階段。80-90年代，裝配機械手處于鼎盛時期，尤其是日本。90年代機械手在特殊用途上有較大的發(fā)展，除了在工業(yè)上廣泛應(yīng)用外，農(nóng)、林、礦業(yè)、航天、海洋、文娛、體育、醫(yī)療、服務(wù)業(yè)、軍事領(lǐng)域上有較大的應(yīng)用。90年代以后，隨著計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的快速發(fā)展，機械手技術(shù)也得到飛速的多元化發(fā)展?？傊?，目前機械手的主要經(jīng)歷分為三代：第一代機械手主要是靠人工進行控制，控制方式為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是將低成本和提高精度；第二代機械手設(shè)有電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把接收到的信息反饋，使機械手具有感覺機能；第三代機械手能獨立完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性系統(tǒng)FMS(FlexibleManufacturingSystem)和柔性制造單元FMC(FlexibleManufacturingCell)中重要一環(huán)。（2）液壓機械手液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，液壓動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。液壓技術(shù)有以下優(yōu)點:1）體積小、重量輕，因此慣性力較小，當(dāng)突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊；2）能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動調(diào)節(jié)牽引速度，并可實現(xiàn)無極調(diào)速；

3）換向容易，在不改變電機旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實現(xiàn)工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復(fù)運動的轉(zhuǎn)換；

4）液壓泵和液壓馬達(dá)之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴(yán)格限制；

5）由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長；6）操縱控制簡便，自動化程度高；

7）容易實現(xiàn)過載保護。1.2.2機械手的應(yīng)用意義在機械工業(yè)中，機械手的應(yīng)用意義可以概括如下：（1）可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度應(yīng)用機械手，有利于提高材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。（2）可以改善勞動條件、避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其它毒性污染以及工作空間狹窄等場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全地完成作業(yè)，大大地改善了工人的勞動條件。在一些動作簡單但又重復(fù)作業(yè)的操作中，以機械手代替人手進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。（3）可以減少人力，便于有節(jié)奏地生產(chǎn)應(yīng)用機械手代替人手進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)地工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床和綜合加工自動生產(chǎn)線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏地進行生產(chǎn)。綜上所述，有效地應(yīng)用機械手是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.2.3搬運機械手的應(yīng)用簡況在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化、自動化已成為突出的主題。在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。專用機床是大批量生產(chǎn)自動化的有效辦法，程控機床、數(shù)控機床、加工中心等自動化機械是有效解決多品種小批量生產(chǎn)自動化的重要辦法。但除切削加工本身外，還有大量的裝卸、搬運、裝配等作業(yè)，有待于進一步實現(xiàn)機械化。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75％是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5％。從這里可看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，適用于可變換生產(chǎn)品種的中、小批量自動化生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于柔性自動線。國內(nèi)外機械工業(yè)、鐵路部門中機搬運械手主要應(yīng)用于以下幾方面：（1）熱加工方面的應(yīng)用熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。（2）冷加工方面的應(yīng)用冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，成為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。（3）拆修裝方面拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門，已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、清除石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機械手，可用以對客車內(nèi)部進行連續(xù)噴漆，以改善勞動條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。近些年，隨著計算機技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等在機械手中越來越多的應(yīng)用，工業(yè)機械手已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)中提高勞動生產(chǎn)率的重要因素。1.2.4機械手的發(fā)展趨勢目前國內(nèi)工業(yè)機械于主要用于機床加工、鑄鍛、熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。因此，國內(nèi)主要是逐步擴大機械手應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄鍛、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件。在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)地發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合式機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)，以及適于不同類型的夾緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型部件，即可組成各種不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，又便于改換工作，擴大了應(yīng)用的范圍。同時要提高精度，減少沖擊，定位精確，以更好地發(fā)揮機械手的作用。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能地機械手，并考慮于計算機聯(lián)用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)中，它可按照事先制定的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但是還不具備任何傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機械手本身的損壞。為此，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某些智能的機械手，使其擁有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，做出相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍些偏差時，即能更正，并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及衛(wèi)星計算機。工作時，電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后傳送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和方位，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手先伸出手指尋找工件，通過裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸感作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小可通過裝在手指內(nèi)側(cè)的壓力敏感元件來控制，達(dá)到自動調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展，機械手的裝配作業(yè)的能力將進一步提高。到1995年，全世界約有50%的汽車由機械手裝配?，F(xiàn)今機械手的發(fā)展更主要的是將機械手和柔性制造系統(tǒng)以及柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。1.3PLC概況及在機械手中的應(yīng)用（1）可編程序控制器的應(yīng)用和發(fā)展概況可編程序控制器（programmablecontroller），現(xiàn)在一般簡稱為PLC（programmablelogiccontroller），它是以微處理器為基礎(chǔ)，綜合了計算機技術(shù)、半導(dǎo)體集成技術(shù)、自動控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動控制裝置。以其顯著的優(yōu)點在冶金、化工、交通、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，成為了現(xiàn)代工業(yè)控制三大支柱之一。在可編程序控制器問世以前，工業(yè)控制領(lǐng)域中是繼電器控制占主導(dǎo)地位。傳統(tǒng)的繼電器控制具有結(jié)構(gòu)簡單、易于掌握、價格便宜等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用甚廣。但是控制裝置體積大、動作速度較慢、耗電較多、功能少，特別是由于它靠硬件連線構(gòu)成系統(tǒng)，接線繁雜，當(dāng)生產(chǎn)工藝或控制對象改變時，原有的接線刻控制盤（柜）就必須隨之改變或更換，通用性和靈活性較差。（2）PLC的應(yīng)用概況PLC的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，并在迅速擴大，對于而今的PLC幾乎可以說凡是需要控制系統(tǒng)存在的地方就需要PLC，尤其近幾年來PLC的性價比不斷提高已被廣泛應(yīng)用在冶金、機械、石油、化工、輕功、電力等各行業(yè)。按PLC的控制類型，其應(yīng)用大致可分為以下幾個方面。1）用于邏輯控制這是PLC最基本，也是最廣泛的應(yīng)用方面。用PLC取代繼電器控制和順序控制器控制。例如機床的電氣控制、包裝機械的控制、自動電梯控制等。2）用于模擬量控制PLC通過模擬量I/O模塊，可實現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間轉(zhuǎn)換，并對模擬量控制。3）用于機械加工中的數(shù)字控制現(xiàn)代PLC具有很強的數(shù)據(jù)處理功能，它可以與機械加工中的數(shù)字控制（NC）及計算機控制（CNC）緊密結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字控制。4）用于工業(yè)機器人控制5）用于多層分布式控制系統(tǒng)高功能的PLC具有較強的通信聯(lián)通能力，可實現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與遠(yuǎn)程I/O之間、PLC與上位機之間的通信。從而形成多層分布式控制系統(tǒng)或工廠自動化網(wǎng)絡(luò)。（3）PLC的特點1）可靠性高、抗干擾能力強PLC能在惡劣的環(huán)境如電磁干擾、電源電壓波動、機械振動、溫度變化等中可靠地工作，PLC的平均無故障間隔時間高，日本三菱公司的F1系列PLC平均無故障時間間隔長達(dá)30萬h，這是一般微機所不能比擬的。2）控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強由于PLC是采用軟件編程來實現(xiàn)控制功能，對同一控制對象，當(dāng)控制要求改變需改變控制系統(tǒng)的功能時，不必改變PLC的硬件設(shè)備，只需相應(yīng)改變軟件程序。3）編程簡單、使用、維護方便4）組合方便、功能強、應(yīng)用范圍廣PLC既可用于開關(guān)量的控制又可用于模擬量的控制；既可用單片機控制，又可用于組成多級控制系統(tǒng)；既可控制簡單系統(tǒng)，又可控制復(fù)雜系統(tǒng)。因此，PLC應(yīng)用范圍很廣。5）體積小、重量輕、功耗低PLC采用了半導(dǎo)體集成電路，外形尺寸很小，重量輕，同時功耗也很低，空載功耗約1.2KW。（4）PLC在機械手中的應(yīng)用機械手通常應(yīng)用于動作復(fù)雜的場合來代替人的反復(fù)的操作，從而節(jié)省人的勞動，普通繼電器由于其體積和接口等各方面限制，經(jīng)常被應(yīng)用于動作簡單的電氣及流水線控制，而PLC以其可靠性高、抗干擾能力強;控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單、通用性強;編程簡單、使用、維護方便;組合方便、功能強、應(yīng)用范圍廣;體積小、重量輕、功耗低等有點被廣泛應(yīng)用于類似機械手的控制動作復(fù)雜的場合，本設(shè)計正是以PLC控制為基礎(chǔ)從而實現(xiàn)機械手的各種動。1.4設(shè)計目的本設(shè)計通過對機電一體化技術(shù)專業(yè)大學(xué)三年的所學(xué)知識進行整合，完成一個特定功能、特殊要求的搬運機械手的設(shè)計，能夠比較好地體現(xiàn)機電一體化技術(shù)專業(yè)畢業(yè)生的理論研究水平，實踐動手能力以及專業(yè)精神和態(tài)度，具有較強的針對性和明確的實施目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)理論和實踐的有機結(jié)合。目前，在國內(nèi)很多工廠的生產(chǎn)線上數(shù)控機床裝卸工件仍由人工完成，勞動強度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)加工的工作效率,降低成本,并使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng),適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn),針對具體生產(chǎn)工藝,利用機器人技術(shù)，設(shè)計用一臺裝卸機械手代替人工工作，以提高勞動生產(chǎn)率。本機械手主要與數(shù)控車床（數(shù)控銑床，加工中心等）組合最終形成生產(chǎn)線，實現(xiàn)加工過程（上料、加工、下料）的自動化、無人化。目前，我國的制造業(yè)正在迅速發(fā)展，越來越多的資金流向制造業(yè)，越來越多的廠商加入到制造業(yè)。本設(shè)計能夠應(yīng)用到加工工廠車間，滿足數(shù)控機床以及加工中心的加工過程安裝、卸載加工工件的要求，從而減輕工人勞動強度，節(jié)約加工輔助時間，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力。1.5設(shè)計原則在設(shè)計之前，必須要有一個指導(dǎo)原則。這次畢業(yè)設(shè)計的設(shè)計原則是：以任務(wù)書所要求的具體設(shè)計要求為根本設(shè)計目標(biāo)，充分考慮機械手工作的環(huán)境和工藝流程的具體要求。在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上，盡可能的使結(jié)構(gòu)簡練，盡可能采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的通用元配件，以降低成本，同時提高可靠性。本著科學(xué)經(jīng)濟和滿足生產(chǎn)要求的設(shè)計原則，同時也考慮本次設(shè)計是畢業(yè)設(shè)計的特點，將大學(xué)期間所學(xué)的知識，如機械設(shè)計、機械原理、液壓、氣動、電氣傳動及控制、可編程控制器（PLC）、電子技術(shù)、自動控制、機械系統(tǒng)仿真等知識盡可能多的綜合運用到設(shè)計中，使得經(jīng)過本次設(shè)計對大學(xué)階段的知識得到鞏固和強化，同時也考慮個人能力水平和時間的客觀實際，充分發(fā)揮個人能動性，腳踏實地，實事求是的做好本次設(shè)計。1.6本設(shè)計的主要內(nèi)容（1）機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數(shù)，由于是采用液壓方式驅(qū)動，因此考慮抓取的物體不應(yīng)該太重，查閱相關(guān)機械手的設(shè)計參數(shù)，結(jié)合工業(yè)生產(chǎn)的實際情況，本設(shè)計設(shè)計抓取的工件質(zhì)量為60Kg。（2）基本參數(shù)運動速度是機械手主要的基本參數(shù)。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設(shè)計速度過低限制了它的使用范圍。而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉(zhuǎn)的速度。該機械手手臂最大中心高設(shè)計為848mm。最大回轉(zhuǎn)角設(shè)計為0-180度。平均升降速度為67mm/s。平均伸縮速度為83mm/s。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關(guān)，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設(shè)計的基本參數(shù)還有伸縮行程和工作半徑。大部分機械手設(shè)計成相當(dāng)于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。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傳送裝置為好。根據(jù)統(tǒng)計和比較，該機械手手臂的伸縮行程定為800mm,最大工作半徑約為1200mm。手臂升降行程定為300mm。2.搬運機械手的整體設(shè)計對搬運機械手的基本要求是能快速、準(zhǔn)確地拾-放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計搬運機械手的原則是:充分分析作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質(zhì)量參數(shù)等，從而進一步確定對機械手結(jié)構(gòu)及運行控制的要求；盡量選用定型的標(biāo)準(zhǔn)組件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制.本次設(shè)計的機械手是一種適合于成批或中、小批生產(chǎn)的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設(shè)備，動作強度大和操作單調(diào)頻繁的生產(chǎn)場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。機械手的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在PLC程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實現(xiàn)執(zhí)行機構(gòu)的相應(yīng)部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時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。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構(gòu)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)行機構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置。2.1執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行機構(gòu)包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)。（1）手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，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，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。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有: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。（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(即姿勢)（3）手臂手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件(如油缸、液壓缸、齒輪齒條機構(gòu)、連桿機構(gòu)、螺旋機構(gòu)和凸輪機構(gòu)等)與驅(qū)動源(如液壓、液壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。（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)運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。（5）機座機座是機械手的基礎(chǔ)部分，機械手執(zhí)行機構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。2.2驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動工業(yè)機械手執(zhí)行機構(gòu)運動的。它由動力裝置、調(diào)節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅(qū)動系統(tǒng)有液壓傳動、機械傳動。由于液壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應(yīng)靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用液壓傳動方式。2.3控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。該機械手采用的是PLC程序控制系統(tǒng)，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，必要時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?？紤]到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(PLC)對機械手進行控制。當(dāng)機械手的動作流程改變時，只需改變PLC程序即可實現(xiàn)，非常方便快捷。2.4位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構(gòu)的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構(gòu)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)行機構(gòu)以一定的精度達(dá)到設(shè)定位置.3手部結(jié)構(gòu)3.1概述手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機構(gòu)組成。其傳力機構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。3.2設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題（1）應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。（2）手指間應(yīng)有一定的開閉角兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。（3）應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。（4）應(yīng)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。（5）應(yīng)考慮被抓取對象的要求應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計和確定手指的形狀。3.3驅(qū)動力的計算如圖2-1所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，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P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于△O1OB和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即圖3-1滑槽杠桿式手部受力分析1.手指2.銷軸3.拉桿4.指座銷軸對手指的作用力為p1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得（3-1）因為所以式中a——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。由上式可知，當(dāng)驅(qū)動力P一定時，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過大會導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取。這里取角度。這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查《工業(yè)機械手設(shè)計基礎(chǔ)》中表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力P實際應(yīng)按以下公式計算，即：（3-2）式中η——手部的機械效率，一般?。籏1——安全系數(shù)，一般取;K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，，其中a為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。本機械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°,α=30°時，拉緊油缸的驅(qū)動力P和P實際計算如下：根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計算公式把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式得（3-3）取,,則3.4兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析如圖2-2所示，鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為,則當(dāng)工件直徑變化時,x的變化量即為定位誤差△,設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時,其最大定位誤差為其中l(wèi)=45mm,b=5mm,a=27mm,2=120°,=15mm,Rmax=30mm代入公式計算得最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8故符合要求.3.5手抓加持范圍計算為了保證手抓張開角為60°，活塞桿運動長度為34mm，手指長為100mm。當(dāng)手抓么有張開的時候，如圖2-3（1）所示，根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑R1=25mm，當(dāng)張開60如圖2-3（2）所示，最大夾持半徑R2計算如下：所以機械手的夾持半徑從。圖3-2帶浮動鉗口的鉗爪（2）圖3-3鉗口持半徑4臂部的設(shè)計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。4.1臂部設(shè)計的基本要求（1）臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸，提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離，合理布置作用力的位置和方向，注意簡化結(jié)構(gòu)，提高配合精度。（2）臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設(shè)計在，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，大部分平均移動速度為，平均回轉(zhuǎn)角速度在。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有3個途徑：減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。減少臂部運動件的輪廓尺寸。減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作。驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。（3）手臂動作應(yīng)該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件?？偨Y(jié)：以上要求是相互制約的，應(yīng)該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設(shè)計出完美的、性能良好的機械手。4.2手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇4.2.1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)。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)。（2）雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。（3）活塞桿和齒輪齒條機構(gòu)。4.2.2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。4.3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)。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。4.3.1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。上圖是機械手的手臂示意圖，本設(shè)計是雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮崗兩側(cè)。機械手臂部受力分析如圖3-1所示。圖4-1機械手臂部受力示意計算如下：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。得得（4-1）（4-2）式中——參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）；L——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（mm）；——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。對于圓柱面：——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取鋼對鑄鐵：取計算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵,，L=1.69-0.028=1.41m,導(dǎo)向支撐a設(shè)計為0.016m將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進行計算4.3.2手臂慣性力的計算本設(shè)計要求手臂平動是,在計算慣性力的時候,設(shè)置啟動時間，啟動速度,（4-3）4.3.3密封裝置的摩擦阻力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(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力：5臂部運動驅(qū)動力計算5.1臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算如圖4-1所示為手臂的升降運動機構(gòu)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠4做上下運動，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動套筒3做升降運動。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵9實現(xiàn)。圖中6為位置檢測裝置。圖5-1手臂升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖1升降臺2缸體3套筒4活塞桿5活塞6固定力柱7齒條缸8平鍵手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅(qū)動力Pq可按下式計算：（5-1）式中Fm——各支承處的摩擦力（N）；Fg——啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運動時的情況計算；——臂部運動部件的總重量（N）；±——上升時為正，下降時為負(fù)。當(dāng)Fm=40N，F(xiàn)g=100N，=1098N時Pq=40+100+1098=1238（N）5.2手臂回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。本機械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，如圖6所示，回轉(zhuǎn)運動由齒條活塞桿8驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動，再通過缸體上的平鍵9帶動外套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動力矩Mq可按下式計算：Mq=1.3(Mm+Mg)(N·m)式中Mm——各支承處的總摩擦力矩；Mg——啟動時慣性力矩，一般按下式計算：（5-2）式中J——手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）;——回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）;△t——回轉(zhuǎn)臂啟動時間（s）當(dāng)Mm=84(N·m),(N·m)(N·m)對于活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細(xì)計算，因為這些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對總的計算結(jié)果影響也較大，對于小零件則可作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動慣量，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量忽略不計。對于形狀復(fù)雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進行計算，其中有的部分可當(dāng)作質(zhì)點計算。5.3臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力Pq可按下式計算：Pq=Fm+Fg(N)式中Fm——各支承處的摩擦阻力；Fg——啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算(N)式中——手臂伸縮部件的總重量（N）；g——重力加速度（）;a——啟動過程中的平均加速度（），而式中△v——速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；△t——啟動過程中所用的時間，一般為。當(dāng)Fm=80N,W=1098（N），△V=500mm/s時，6液壓系統(tǒng)的設(shè)計6.1液壓系統(tǒng)簡介機械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機帶動油泵輸出壓力油，是將電動機供給的機械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作伸縮、升降等運動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機械能。手臂在運動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。6.2液壓系統(tǒng)的組成液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：（1）油泵它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。（2）液動機壓力油驅(qū)動運動部件對外工作部分。手臂做直線運動，液動機就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運動的液動機一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動機，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。（3）控制調(diào)節(jié)裝置各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。6.3機械手液壓系統(tǒng)的控制回路機械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等。6.3.1壓力控制回路（1）調(diào)壓回路在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。（2）卸荷回路在機械手各油缸不工作時，油泵電機又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負(fù)荷下工作，所以采用卸荷回路。此機械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。（3）減壓回路為了是機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。（4）平衡與鎖緊回路在機械液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路將垂直機構(gòu)的自重給以平衡。為了使機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運動并鎖緊。本機械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。（5）油泵出口處接單向閥在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液，以驅(qū)動油缸運動而做功。當(dāng)一旦電機停止轉(zhuǎn)動，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉(zhuǎn)動，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機時，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性。6.3.2速度控制回路液壓機械手各種運動速度的控制，主要是改變進入油缸的流量Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進入油缸或油馬達(dá)的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。根據(jù)各油泵的運動速度要求，可分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調(diào)速閥等進行調(diào)節(jié)。節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格便宜。其缺點是：有壓力和流量損耗，在低速負(fù)荷傳動時效率低，發(fā)熱大。采用節(jié)流閥進行節(jié)流調(diào)速時，負(fù)荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負(fù)荷變化會引起節(jié)流閥進出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。調(diào)速閥能夠隨負(fù)荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運動速度不受負(fù)荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。6.3.3方向控制回路在機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達(dá)的運動方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達(dá)的油路換向，實現(xiàn)直線往復(fù)運動和正反向轉(zhuǎn)動。目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（D型）和直流電磁閥（E型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220V（也有380V或36V），直流電磁閥的使用電壓一般為24V（或110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好，換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。6.4機械手的液壓傳動系統(tǒng)液壓系統(tǒng)圖的繪制是設(shè)計液壓機械手的主要內(nèi)容之一。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。它通常由一些典型的壓力控制、流量控制、方向控制回路加上一些專用回路所組成。繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓原理圖。6.4.1上料機械手的動作順序本液壓傳動上料機械手主要是從一個地方拿到工件后，橫移一定的距離后把工件給立式精鍛機進行加工。它的動作順序是：待料（即起始位置。手指打開，待夾料立放）→手臂前伸→手指夾料→手臂上升→手腕回轉(zhuǎn)115°→手臂回轉(zhuǎn)115°→手指松開→手臂縮回→手腕反轉(zhuǎn)（手腕復(fù)位）→手臂下降→手臂反轉(zhuǎn)（上料機械手復(fù)位）→待料（一個循環(huán)結(jié)束）卸荷。上述動作均由電控系統(tǒng)發(fā)信控制相應(yīng)的電磁換向閥，按程序依次步進動作而實現(xiàn)的。該電控系統(tǒng)的步進控制環(huán)節(jié)采用步進選線器，其步進動作是在每一步動作完成后，使行程開關(guān)的觸點閉合或依據(jù)每一步動作的預(yù)設(shè)停留時間，使時間繼電器動作而發(fā)信，使步進器順序“跳步”控制電磁閥的電磁鐵線圈通斷電，使電磁鐵按程序動作（見電磁鐵動作程序表）實現(xiàn)液壓系統(tǒng)的自動控制。6.4.2自動上料機械手液壓系統(tǒng)原理液壓系統(tǒng)原理如圖5-1所示。該系統(tǒng)選用功率N=7.5千瓦的電動機，帶動雙聯(lián)葉片泵YB-35/18，其公稱壓力為60×10帕，流量為35升/分+18升/分=53升/分，系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)為30×10帕，油箱容積選為250升。手臂的升降油缸及伸縮油缸工作時兩個油泵同時供油；手臂及手腕的回轉(zhuǎn)和手指夾緊用的拉緊油缸以及手臂回轉(zhuǎn)的定位油缸工作時只有小油泵供油，大泵自動卸荷。手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)、手臂橫向移動和手腕回轉(zhuǎn)油路采用單向調(diào)速閥（QI-63B、QI-25B、QI-10B）回程節(jié)流，因而速度可調(diào)，工作平穩(wěn)。手臂升降油缸支路設(shè)置有單向順序閥（XI-63B）,可以調(diào)整順序閥的彈簧力使之在活塞、活塞桿及其所支承的手臂等自重所引起的油液壓力作用下仍保持?jǐn)嗦?。工作時油泵輸出的壓力油進入升降油缸上腔，作用在順序閥的壓力增加使之接通，活塞便向下運動。當(dāng)活塞要上升時，壓力油液經(jīng)單向閥進入升降油缸下腔而不會被順序閥所阻，這樣采用單向順序閥克服手臂等自重，以防下滑，性能穩(wěn)定可靠。手指夾緊油缸支路裝有液控單向閥（IY-25B），使手指夾緊工件時不受系統(tǒng)壓力波動的影響，保證保證手指夾持工件牢靠。當(dāng)反向進油時，油箱通過控制油路將單向閥芯頂開，使回油路接通，油液流回油箱。在手臂回轉(zhuǎn)后的定位所用的定位油缸支路要比系統(tǒng)壓力低,為此在定位油缸支路前串有減壓閥（J-10），使定位油缸獲得適應(yīng)壓力為帕,同時還給電液動滑閥（或稱電液換向閥，34DY-63B）來實現(xiàn)，空載卸荷不致使油溫升高。系統(tǒng)的壓力由溢流閥來調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)四個主壓力油路的壓力測量，是通過轉(zhuǎn)換壓力表開關(guān)（K-3B）的位置來實現(xiàn)的，被測量的四個主油路的壓力值,分別從壓力表（Y-60）上表示出來。下面以上料機械手的一個典型動作程序為例，結(jié)合圖8來說明其動作循環(huán)。圖6-1機械手液壓系統(tǒng)圖當(dāng)電動機啟動，帶動雙聯(lián)葉片泵3和8回轉(zhuǎn)，油液從油箱1中通過網(wǎng)式濾油器2和7，經(jīng)過葉片泵被送到工作油路中去，如果機械手還未啟動，則油液通過二位二通電磁閥5和10（電磁鐵11DT和12DT通電）進行卸荷。當(dāng)熱棒料到達(dá)上料的位置后，由于1150℃的熱料使光電繼電器發(fā)出電信號（或經(jīng)過人工啟動），經(jīng)過步進選線器跳步，使機械手開始按程序動作。此時卸荷停止（二位二通電磁閥5和10的電磁鐵斷電），電磁鐵8DT通電，壓力油進到定位油缸的無桿腔進行定位動作。定位后此支油路系統(tǒng)壓力升高，壓力繼電器40發(fā)出電信號，經(jīng)過步進選線器跳步使電磁鐵1DT通電，電液換向閥25從“O”型滑滑機能狀態(tài)變成通路，壓力油泵從3和8經(jīng)單向閥6、14和13，經(jīng)過電液換向閥25右邊通道進入手臂伸縮油缸的右腔，使活塞桿帶動導(dǎo)向桿作前伸運動（因活塞缸固定），手臂前伸到適當(dāng)位置，裝在手臂上的碰鐵碰行程開關(guān)發(fā)出電信號，經(jīng)步進選線器和時間繼電器延時，是電磁鐵3DT通電，手指張開；手臂靠慣性滑行，手指移到待上料的中心位置。在延時結(jié)束時，3DT斷電，手指夾緊料；并同時發(fā)信、跳步，使電磁鐵4DT通電，壓力油從工作油路39經(jīng)電液換向閥33右邊通道、單向調(diào)速閥34的單向閥及單向順序閥35的單向閥進入手臂升降油缸的下腔，推動手臂上升。在手臂上升到預(yù)定位置，碰行程開關(guān)，使電磁鐵4DT斷電，電液換向閥33復(fù)位成“O”型滑閥機能狀態(tài)，發(fā)出電信號經(jīng)步進選線器跳步，使電磁鐵2DT通電，電液換向閥25左邊接通油路，壓力油通過電液換向閥25左邊通道，經(jīng)過單向調(diào)速閥26的單向閥進入受臂伸縮油缸左腔使受臂縮回。同時發(fā)信、跳步，使電磁鐵13DT通電，壓力油通過電液換向閥41的左腔，推動手臂橫向移動。當(dāng)橫向移動機構(gòu)上的碰鐵碰到行程開關(guān)，使13DT斷電，并發(fā)出電信號經(jīng)步進選線器跳步使6DT通電，則換向閥18右邊接通油路，壓力油通過單向調(diào)速閥19的單向閥進入手腕回轉(zhuǎn)油缸一腔，使手腕回轉(zhuǎn)115°，手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)使6DT斷電，換向閥18復(fù)位成“O”型滑閥機能狀態(tài)，同時亦使8DT斷電，定位油缸復(fù)位（拔銷）；壓力繼電器復(fù)位，發(fā)出電信號。經(jīng)步進選線器跳步，使電磁鐵9DT通電，換向閥28右邊通道接通油路，壓力油經(jīng)QI（31）的單向閥進入手臂回轉(zhuǎn)油缸一腔使手臂回轉(zhuǎn)115°。當(dāng)手臂的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)使9 DT斷電，換向閥28復(fù)位成“O”型滑閥機能狀態(tài)；并發(fā)出電信號。步進選線器跳步，使8DT通電，定位油缸17動作，插定位銷，壓力繼電器40發(fā)出電信號經(jīng)發(fā)出電信號。經(jīng)步進選線器跳步，使電磁鐵1DT通電，手臂前伸；當(dāng)手臂將棒料送到立式精鍛機的夾頭軸線前的適當(dāng)距離，手臂的碰鐵碰行程開關(guān)，1DT斷電，手臂靠滑行和定位螺釘使手臂將棒料送到夾頭軸線處；并發(fā)出電信號、跳步使12DT通電，大泵卸荷，手臂處于“中?！蔽恢茫瑫r發(fā)出電信號使立式精鍛機啟動，夾頭下降，行程開關(guān)發(fā)信，通過時間繼電器使夾頭閉合將棒料夾牢，精鍛機電控系統(tǒng)發(fā)信，給機械手電控系統(tǒng)，經(jīng)過選線器跳步，時間繼電器延時使3DT通電，機械手手指松開（同時，精鍛機的電控系統(tǒng)發(fā)信使夾頭提升），延時到3DT斷電，手指閉合，并發(fā)出電信號，步選器跳步，2DT通電，手臂縮回。當(dāng)手筆碰鐵碰到行程開關(guān)時，2DT斷電（手臂縮回停）；并發(fā)出電信號和跳步，使5DT通電，電液換向閥33的左邊通道接通油路，壓力油經(jīng)QI（36）的單向閥進到升降缸的上腔，使手臂下降，當(dāng)升降導(dǎo)套上的碰鐵碰行程開關(guān)時，5DT斷電（手臂下降停）；并發(fā)出電信號和跳步，使7DT通電，換向罰18的左邊通道接通油路，壓力油QI（20）的單向閥進入手腕回轉(zhuǎn)油缸的另一腔，使手腕反轉(zhuǎn)115°；手腕上的碰鐵碰行程開關(guān)，使7DT斷電并發(fā)出電信號、跳步，使8DT斷電（拔定位銷），壓力繼電器復(fù)位發(fā)出電信號、跳步，使10DT通電，換向閥28左邊通道接通油路，壓力油經(jīng)QI（29）的單向閥進入手臂回轉(zhuǎn)油缸的另一腔，使手臂反轉(zhuǎn)115°（機械手復(fù)位）。當(dāng)手臂上的回轉(zhuǎn)碰鐵碰行程開關(guān)時，10DT斷電，并發(fā)出信號，跳步，使14DT通電，立柱回移（回到原位，機械手回到原來位置）；步進選線器跳步，使11DT和12DT通電（兩個油泵同時卸荷），機械手的動作循環(huán)結(jié)束。6.5機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算計算的主要內(nèi)容是，根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所要求的輸出力和運動速度，確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸和所需流量、確定液壓系統(tǒng)所需的油壓與總的流量，以選擇油泵的規(guī)格和選擇油泵電動機的功率。確定各個控制閥的通流量和壓力以及輔助裝置的某些參數(shù)等。在本機械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往復(fù)直線運動）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于360°的往復(fù)回轉(zhuǎn)運動）及無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。6.5.1雙作用單桿活塞油缸圖6-2雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖（1）流量、驅(qū)動力的計算當(dāng)壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度V1運動時所需輸入油缸的流量為（6-1）對于手臂伸縮油缸：，對于手指夾緊油缸：,對于手臂升降油缸：油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅(qū)動力為：（6-2）對于手臂伸縮油缸：，對于手指夾緊油缸：，對于手臂升降油缸：當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運動時所需輸入油缸的流量Q2為：（6-3）對于手臂伸縮油缸：Q1=0.87cm/s，對于手指夾緊油缸：Q1=0.96cm/s,對于手臂升降油缸：Q1=0.72cm/s油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即油缸的驅(qū)動力為：（6-4）對于手臂伸縮油缸：p1=172N，對于手指夾緊油缸：p1=108N，對于手臂升降油缸：p1=305N（2）計算作用在活塞上的總機械載荷機械手手臂移動時，作用在機械手活塞上的總機械載荷P為其中——為工作阻力——導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力——密封裝置處的摩擦阻力——慣性阻力——背壓阻力P=83+125+66+80+208=562(N)（3）確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸油缸內(nèi)徑的計算：油缸工作時，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所受的總機械載荷平衡，即P=P1=P2油缸（即活塞）的直徑可由下式計算在無桿腔中對于手臂伸縮油缸：D=50mm，對于手指夾緊油缸：D=30mm，對于手臂升降油缸：D=80mm，對于立柱橫移油缸：D=40mm在有桿腔中（6-5）油缸壁厚的計算：依據(jù)材料力學(xué)薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式計算：式中——計算壓力——油缸材料的許用應(yīng)力。對于手臂伸縮油缸：=6mm，對于手指夾緊油缸：=17mm，對于手臂升降油缸：=16mm,對于立柱橫移油缸:=17mm。活塞桿的計算：可按強度條件決定活塞直徑d。活塞桿工作時主要承受拉力或壓力，因此活塞桿的強度計算可近似的視為直桿拉、壓強度計算問題，即對于手臂伸縮油缸：d=30mm，對于手指夾緊油缸：d=15mm，對于手臂升降油缸：d=50mm,對于立柱橫移油缸:d=16mm。6.5.2無桿活塞油缸圖6-3齒條活塞缸計算簡圖（1）流量、驅(qū)動力的計算當(dāng)D=103mm,d=40mm,=0.95rad/s時Q=952N（2）作用在活