畢業(yè)設(shè)計(jì)---通用液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)的多功能機(jī)械手為液壓通用機(jī)械手，主要由手爪、手腕、手臂、機(jī)身、機(jī)座等組成，具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按自動(dòng)線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動(dòng)作。本機(jī)械手機(jī)身采用機(jī)座式，自動(dòng)線圍繞機(jī)座布置，其坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)式，具有立柱旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、腕部轉(zhuǎn)動(dòng)和腕部擺動(dòng)等4個(gè)自由度；驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，利用油缸、齒輪、齒條

2、實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)；利用油缸與齒輪、齒條或鏈條實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是壓力高、體積小，出力大，動(dòng)作平緩，并能在中間位置停止。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手能對(duì)不同物體完成多種動(dòng)作。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；圓柱坐標(biāo)；液壓驅(qū)動(dòng) </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design of multi-

3、manipulator hydraulic manipulator general, mainly by the gripper, wrist, arm, body, base etc., with the material, flip, and a variety of functions such as translocation, in accordance with the unified automated productio

4、n line beat and production program have done so. This machine adopts the base-type mobile phone, automatic wire around the base layout, its coordinates in the form of cylindrical coordinate type, with column rotation, ar

5、m stretching, wrist rotation and wrist s</p><p>　　Keywords: mechanical hand; cylindrical coordinate; fluid power drive</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</

6、b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 機(jī)械手的基本概念1</p><p>　　1.2 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用1&

7、lt;/p><p>　　1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 應(yīng)用3</p><p>　　第2章 方案的確定7</p><p>　　2.1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手8</p><p>　　2.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手9</p><p>　　2.3 球坐標(biāo)式機(jī)械手9</

8、p><p>　　2.4 關(guān)節(jié)式機(jī)械手10</p><p>　　第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)的原始參數(shù)11</p><p>　　3.2 夾持式手部結(jié)構(gòu)11</p><p>　　3.2.1 手指的形狀和分類11</p><p>　　3.2.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的

9、幾個(gè)問(wèn)題12</p><p>　　3.2.3 手部夾緊油缸的設(shè)計(jì)13</p><p>　　第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1 手腕的自由度17</p><p>　　4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算18</p><p>　　4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩18</p>&

10、lt;p>　　4.2.2 手腕回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算21</p><p>　　4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核22</p><p>　　第5章 手臂工作油缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算27</p><p>　　5.1 手臂伸縮油缸的設(shè)計(jì)與校核27</p><p>　　5.1.2 尺寸校核27</p><p>

11、　　5.1.3 導(dǎo)向裝置33</p><p>　　5.1.4 平衡裝置33</p><p>　　5.2 手臂升降油缸的設(shè)計(jì)與校核33</p><p>　　5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)33</p><p>　　5.2.2 尺寸校核33</p><p>　　5.3 手臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)與校核34</p>

12、;<p>　　5.3.1 尺寸設(shè)計(jì)35</p><p>　　5.3.2 尺寸校核35</p><p>　　第6章 其它零部件的選擇設(shè)計(jì)38</p><p>　　6.1 油缸的密封38</p><p>　　6.1.1 活塞式油缸的泄漏與密封38</p><p>　　6.1.2 回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與

13、密封42</p><p>　　6.2 控制調(diào)節(jié)閥的選擇44</p><p>　　6.3 輔助裝置的選擇44</p><p>　　6.4 液壓傳動(dòng)機(jī)械手的緩沖與定位45</p><p><b>　　結(jié)論47</b></p><p><b>　　致謝48</b>

14、</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)49</b></p><p><b>　　CONTENTS</b></p><p>　　AbstractI</p><p>　　Chapter 1 Introduction1</p><p>　　1.1 The basic con

15、cept of a robot1</p><p>　　1.2 Manipulator Development and Application1</p><p>　　1.2.1 Development Status1</p><p>　　1.2.2 Application3</p><p>　　Chapter 2 program t

16、o determine7</p><p>　　2.1 Cartesian coordinate type robot8</p><p>　　2.2 Cylindrical coordinate manipulator9</p><p>　　2.3 Spherical manipulator9</p><p>　　2.4 Joi

17、nt Manipulator10</p><p>　　Chapter 3 Design of hand11</p><p>　　3.1 The original design parameters11</p><p>　　3.2 Clamp-type structure of the hand11</p><p>　　3.2.1

18、Finger shape and classification11</p><p>　　3.2.2 Some consideration for the design problem12</p><p>　　3.2.3 Hand clamping cylinder design13</p><p>　　Chapter 4 Structural Design o

19、f the wrist17</p><p>　　4.1 degrees of freedom wrist17</p><p>　　4.2 Calculation of torque of the wrist18</p><p>　　4.2.1 Wrist rotation torque required18</p><p>　　

20、4.2.2 Wrist rotation torque of cylinder calculation21</p><p>　　4.2.3 Wrist rotation cylinder and check the size of22</p><p>　　Chapter 5 Arm cylinder design and calculation work27</p>

21、<p>　　5.1 Telescopic arm design and checking the size of fuel tanks27</p><p>　　5.1.2 Size Check27</p><p>　　5.1.3 Oriented devices33</p><p>　　5.1.4 Balance device33<

22、/p><p>　　5.2 Arm lift cylinder design and checking the size of33</p><p>　　5.2.1 Dimension Design33</p><p>　　5.2.2 Size Check33</p><p>　　5.3 Rotary arm design and ch

23、ecking the size of fuel tanks34</p><p>　　5.3.1 Dimension Design35</p><p>　　5.3.2 Size Check35</p><p>　　Chapter 6 Other parts of the selection of design38</p><p>　

24、　6.1 Cylinder seal38</p><p>　　6.1.1 Piston cylinder leak in the seal38</p><p>　　6.1.2 Rotating cylinder leakage and seal42</p><p>　　6.2 Control Valve Selection44</p>

25、<p>　　6.3 The choice of auxiliary devices44</p><p>　　6.4 Hydraulic manipulator and positioning cushion45</p><p>　　Conclusion47</p><p>　　Express thanks48</p><p&

26、gt;　　References49</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 機(jī)械手的基本概念</p><p>　　液壓通用機(jī)械手，就其本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，屬于工業(yè)機(jī)器人的范疇，機(jī)器人學(xué)是近幾十年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一門綜合學(xué)科。它集中了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)控制以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，

27、體現(xiàn)了光機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國(guó)科技界跟蹤國(guó)際高技術(shù)發(fā)展的重要課題。</p><p>　　“機(jī)械手”（Machanical Hand）：多數(shù)指附屬于主機(jī)、程序固定的自動(dòng)抓取、操作裝置（國(guó)內(nèi)一般稱作機(jī)械手或?qū)Ｓ脵C(jī)械手）。如自動(dòng)線、自動(dòng)機(jī)的上下料，加工中心的自動(dòng)換到的自動(dòng)化裝置。</p><p>　　1.2 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用</p&g

28、t;<p>　　機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到各先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場(chǎng)

29、合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國(guó)，近幾年來(lái)也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視[1]。</p><p>　　1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　專用機(jī)械手經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，如今已進(jìn)入了以通用機(jī)械手為標(biāo)志的時(shí)代。通用機(jī)械手可以應(yīng)用于更加多的場(chǎng)合，從而節(jié)約了不少的開(kāi)發(fā)以及設(shè)計(jì)的成本。由于通用機(jī)械手的發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)了智能機(jī)器人的研制。通用機(jī)械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一

30、般的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等基礎(chǔ)知識(shí)，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計(jì)算技術(shù)、無(wú)線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項(xiàng)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)發(fā)展這一技術(shù)都很重視。幾十年來(lái)，這項(xiàng)技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計(jì)在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴(kuò)大。雖然在這方面相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家還有點(diǎn)落后，但是國(guó)內(nèi)現(xiàn)在也越來(lái)越感覺(jué)到機(jī)械手的重要性，國(guó)家大力支持相關(guān)的設(shè)計(jì)及產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。在機(jī)器人的發(fā)展以及機(jī)械手的設(shè)計(jì)上也取得了一定的成

31、果，國(guó)內(nèi)每年都將舉行機(jī)器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作。</p><p>　　目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)是：</p><p>　　1．研制有更多自由度的液壓機(jī)械手，這樣機(jī)械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動(dòng)作。</p><p>　　2．研制帶有行走機(jī)構(gòu)的機(jī)械手，這種機(jī)械手可以從一個(gè)工作地點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)工作地點(diǎn)。</p><p>　　3．

32、研制維修維護(hù)方便的通用機(jī)械手。</p><p>　　4．研制能自動(dòng)編制和自動(dòng)改變程序的通用機(jī)械手。</p><p>　　5．研制具有一定感觸和一定智力的智能機(jī)械手。這種機(jī)械手具有各種傳感裝置，并配有計(jì)算機(jī)。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計(jì)算機(jī)充當(dāng)其大腦，使它進(jìn)行思考和記憶。用聽(tīng)筒和聲敏元件作為耳朵能聽(tīng)，用揚(yáng)聲器作為嘴能說(shuō)話進(jìn)行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺(jué)和感觸。用滾輪或者雙足式機(jī)構(gòu)腳來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)

33、移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊</p><p>　　語(yǔ)言對(duì)其下達(dá)命令，布置任務(wù)，使自動(dòng)化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。</p><p>　　6．機(jī)械手的外觀達(dá)到美觀的要求，盡量用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動(dòng)作。</p><p>　　7．研制具有柔性系統(tǒng)的通用機(jī)械手</p><p>　　目前，在國(guó)外廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式通用機(jī)械手，雖然一般也都

34、有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動(dòng)一次，而后機(jī)械手可以按領(lǐng)動(dòng)的工作內(nèi)容正確進(jìn)行再現(xiàn)動(dòng)作。如果把這種再現(xiàn)式通用機(jī)械手稱為第二代機(jī)械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機(jī)械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機(jī)械手正在朝著一種可以存儲(chǔ)大量的程序的并且可以改變并重新寫(xiě)入程序的方向發(fā)展，而且機(jī)械手具有比原來(lái)的更多的自由度?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)具有越來(lái)越強(qiáng)的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來(lái)，我國(guó)一定能夠趕上并將且超越發(fā)達(dá)國(guó)家在機(jī)械手乃至整個(gè)機(jī)械方

35、面處于領(lǐng)先地位。</p><p><b>　　機(jī)械手的研究意義</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。在機(jī)械工業(yè)中，大量應(yīng)用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機(jī)械加工以及裝配等工種。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國(guó)防工業(yè)等工種中也均有應(yīng)用[2]。</p><p>　　在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下：&

36、lt;/p><p>　　1.可以提高生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化程度。</p><p>　　應(yīng)用機(jī)械手有利于在自動(dòng)生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以及機(jī)器的裝配等的自動(dòng)化程度，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。</p><p>　　2.可以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故。</p><p>　　在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質(zhì)的環(huán)

37、境場(chǎng)合，用人手直接操作是很危險(xiǎn)的甚至是不可能的。而應(yīng)用機(jī)械手即可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動(dòng)條件得以改善。</p><p>　　3.可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。</p><p>　　應(yīng)用機(jī)械手代替人手進(jìn)行作業(yè)，這是直接減少人力的一個(gè)側(cè)面，同時(shí)應(yīng)用機(jī)械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一方面。因此，在自動(dòng)化機(jī)床和綜合加工自動(dòng)線上，目前幾乎都設(shè)有機(jī)械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)

38、的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。</p><p>　　4.用液壓系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)械手，比一般的機(jī)械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確度更高。</p><p>　　5.運(yùn)用機(jī)械手可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)，而大大提高在生產(chǎn)線的工作的時(shí)間，從而能大幅提高勞動(dòng)的生產(chǎn)率。</p><p><b>　　1.2.2 應(yīng)用</b></p><p>　

39、　機(jī)械手一半分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)械手。它是一種獨(dú)立的不附屬于某一主機(jī)的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它的特點(diǎn)是具備普通機(jī)械的物理性之外，還具備使用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)械手來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專用機(jī)械手，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自

40、動(dòng)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)械手在國(guó)外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)；除少數(shù)外，工作程序 是固定的，因此是專用的。在國(guó)外，目前主要是搞第一類通用機(jī)械手[3]。</p><p>　　機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的。1985年美國(guó)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(guó)聯(lián)合控

41、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。商名為Unimate（即萬(wàn)能自動(dòng)）。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)用磁鼓作存貯裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手都是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。</p><p>　　日本式工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力從事機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)導(dǎo)，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位達(dá)5

42、0多個(gè)。1976年各大學(xué)和國(guó)家研究部門用在機(jī)械手的研究經(jīng)費(fèi)約占總研究費(fèi)用的42%。1979年日本的機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)433億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長(zhǎng)50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50~60%的速度增長(zhǎng)。使用

43、機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬(wàn)機(jī)器人在工作。</p><p>　　目前工業(yè)機(jī)械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開(kāi)環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。下面就國(guó)內(nèi)機(jī)械工業(yè)、鐵路部門應(yīng)用機(jī)械手的簡(jiǎn)況，以及國(guó)外機(jī)械工業(yè)發(fā)展和應(yīng)用機(jī)械手的簡(jiǎn)況，分別介紹如下。</p><p>　　1.熱加工方面的應(yīng)用</p>

44、<p>　　熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來(lái)就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了實(shí)現(xiàn)高效率和工作安全，尤其對(duì)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(jī)械手操作。</p><p>　　機(jī)械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進(jìn)一步發(fā)揮鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累的勞動(dòng)條件。因此，國(guó)內(nèi)首先是采用鍛造操作機(jī)，裝取料機(jī)械手來(lái)代替人工操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。后來(lái)在精鍛機(jī)上采用機(jī)械手，使精短過(guò)程自動(dòng)化，代替人工喂料。&

45、lt;/p><p>　　國(guó)外對(duì)鍛造機(jī)械手的研制工作十分重視，如美國(guó)采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手在1300噸鍛壓機(jī)上鍛造齒輪毛坯；瑞典采用Unimate型機(jī)械手在壓力機(jī)上鍛造曲軸；采用Versatran型機(jī)械手生產(chǎn)大型軸承環(huán)，機(jī)械手在兩臺(tái)液壓機(jī)間傳送軸承環(huán)的坯料。</p><p>　　鍛壓機(jī)械手的手指部位必須采用耐熱鋼鍛造，相當(dāng)于40CrNi2Mo的材料。同時(shí)用空氣、水噴霧冷卻。機(jī)械手外部裝有防熱護(hù)罩，

46、內(nèi)部通水冷卻。</p><p>　　機(jī)械手在鍛造、熔煉方面的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)已研制成功壓鑄機(jī)上下料機(jī)械手，上下箱、合箱、澆注機(jī)械手，以及鑄件表面清理機(jī)械手等。有些工廠還將機(jī)械手和造型機(jī)配合組成鑄造生產(chǎn)自動(dòng)線，徹底改變了鑄造生產(chǎn)的面貌。</p><p>　　國(guó)外對(duì)電爐煉鋼過(guò)程中采用機(jī)械手進(jìn)行了大量的研究。由于強(qiáng)大電流的干擾，影響了機(jī)械手的采用，并由于熔渣和鋼水難以區(qū)別，往往在澆注過(guò)程中容易液、渣不

47、分，需研究帶有特殊傳感裝置的機(jī)械手，才能實(shí)現(xiàn)澆注的機(jī)械化和自動(dòng)化。</p><p><b>　　2.冷加工方面</b></p><p>　　冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，稱為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要手段。&l

48、t;/p><p>　　國(guó)內(nèi)機(jī)械工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機(jī)、專業(yè)上采用機(jī)械手上下料、減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。如在軸類、螺栓、氣閥和螺撐帽坐等零件的加工機(jī)床上配置了機(jī)械手，代替人工上下料。在三通閥體、軸瓦、平斜鐵、柴油機(jī)搖臂加工生產(chǎn)自動(dòng)線上采用單臂、雙臂圓柱式機(jī)械手，成為聯(lián)接工序、運(yùn)送工件的重要裝備。并在連桿粗加工自動(dòng)線上采用數(shù)控機(jī)械手，這樣它不僅擔(dān)負(fù)自動(dòng)線上機(jī)床工件的裝卸、運(yùn)輸，并能發(fā)出指令指揮全線工作。</p>

49、<p>　　國(guó)外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機(jī)械手以加工鐵路車軸、輪對(duì)等大、中批量零部件。并和機(jī)床設(shè)備共同組成一個(gè)綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。</p><p><b>　　3.拆修裝方面</b></p><p>　　拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)房中體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門。已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、

50、清楚石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。采用機(jī)械手進(jìn)行裝配更是目前研制的重點(diǎn)，國(guó)外已研究采用攝像機(jī)和力的傳感裝置和微型計(jì)算機(jī)聯(lián)接在一起，能確定零件的方位，達(dá)到鑲裝的目的。</p><p>　　綜上所述，有效的應(yīng)用機(jī)械手，是發(fā)展機(jī)械工業(yè)的必然趨勢(shì)[4]。</p><p>　　第2章 方案的確定</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)是通用機(jī)械手，要求有較高的定位精度

51、和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種[5]：</p><p>　　表2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表</p><p>　　續(xù)表2-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表</p><p>　　2.1 直角坐標(biāo)型機(jī)械手</p><p>　　直角坐標(biāo)式機(jī)械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機(jī)械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動(dòng)，按直角坐標(biāo)形式X、

52、Y、Z三個(gè)方向的直線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)表2-1。</p><p>　　其工作范圍可以使一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)或三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。如在X、Y、Z三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)方向上各具有A、B、C三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即構(gòu)成六個(gè)自由度。但在實(shí)際上式很少有的。缺點(diǎn)是這種機(jī)械手作業(yè)范圍較小。</p><p>　　2.2 圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手</p><p>　　圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手是應(yīng)用最多的一種形式

53、，它適用于搬運(yùn)和測(cè)量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本體占用的空間小，而動(dòng)作范圍較大等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手由X、Z、φ三個(gè)運(yùn)動(dòng)組成。它的工作范圍可分為：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)，加一個(gè)不在直線運(yùn)動(dòng)所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)直線運(yùn)動(dòng)加一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)表2-1.</p><p>　　圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手有五個(gè)基本動(dòng)作：</p><p>&l

54、t;b>　　手臂水平回轉(zhuǎn)；</b></p><p><b>　　手臂伸縮；</b></p><p><b>　　手臂上下；</b></p><p><b>　　手臂回轉(zhuǎn)動(dòng)作；</b></p><p><b>　　手爪夾緊動(dòng)作。</b>&l

55、t;/p><p>　　圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動(dòng)套筒、手臂裝在滑動(dòng)套筒上，手臂可作上下直線運(yùn)動(dòng)（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動(dòng)（φ）。</p><p>　　據(jù)國(guó)外140中機(jī)械手的統(tǒng)計(jì)，圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手就有86種，其中76中式具有X、Z、φ三個(gè)運(yùn)動(dòng)，而具有六個(gè)自由度的機(jī)械手僅有六種。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)方向與該類型機(jī)械手特點(diǎn)相符。</

56、p><p>　　2.3 球坐標(biāo)式機(jī)械手</p><p>　　球坐標(biāo)式機(jī)械手是一種自由度較多，用途較廣的機(jī)械手。它是由X、θ、φ三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)組成。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)表2-1。球坐標(biāo)式機(jī)械手的工作范圍包括：一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；二個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　球坐標(biāo)式機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)以下八個(gè)動(dòng)作：</p><p>　　1．手臂上下動(dòng)作

57、，即俯仰動(dòng)作；</p><p>　　2．手臂左右動(dòng)作，即回轉(zhuǎn)動(dòng)作；</p><p>　　3．手臂前后動(dòng)作，即伸縮動(dòng)作；</p><p><b>　　4．手腕上下彎曲；</b></p><p><b>　　5．手腕左右擺動(dòng)；</b></p><p><b>　　6．手

58、腕旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；</b></p><p><b>　　7．手爪夾緊動(dòng)作；</b></p><p>　　8．機(jī)械手整體移動(dòng)。</p><p>　　球坐標(biāo)式機(jī)械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運(yùn)動(dòng)，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動(dòng)，工作范圍和人手的動(dòng)作類似。它的特點(diǎn)是能自動(dòng)選擇最合理的動(dòng)作路線。所以工

59、效高。另外由于上下擺動(dòng)，它的相對(duì)體積小，二動(dòng)作范圍大。</p><p>　　2.4 關(guān)節(jié)式機(jī)械手</p><p>　　關(guān)節(jié)式機(jī)械手是一種適用于靠近機(jī)體操作的傳動(dòng)型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)自由度，動(dòng)作比較靈活，適于在狹窄空間工作。關(guān)節(jié)式機(jī)械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開(kāi)發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。</p><p>　　關(guān)節(jié)式機(jī)械手

60、有大臂和小臂的擺動(dòng)，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。關(guān)節(jié)式機(jī)械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)近似于人手操作的機(jī)能。為具有近似人手操作的機(jī)能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　關(guān)節(jié)式機(jī)械手的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪、齒條式和擺動(dòng)式，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用哪一種型式，主要根據(jù)工件的輕重來(lái)決定。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的目標(biāo)是4自由度體型小的通用液壓機(jī)械手，上述4種類型機(jī)械手中圓柱坐標(biāo)機(jī)械手體型合適，機(jī)構(gòu)適宜，

61、能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以選擇圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手。</p><p>　　第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　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。如果有實(shí)際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)或電磁式吸盤結(jié)構(gòu)。手爪是機(jī)械手直接用下抓取和握緊(或吸附)工件夾持專用工具(如噴槍。扳子、焊接工具)進(jìn)行損作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的

62、功能，，并安裝于機(jī)械手手臂的前端[6]。</p><p>　　3.1 設(shè)計(jì)的原始參數(shù)</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手為4自由度機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)大臂的升降和旋轉(zhuǎn)，小臂的伸縮和旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：</p><p>　　1．手臂力至少達(dá)90N</p><p><b>　　2．自由度數(shù) 4</b></p

63、><p>　　3、手臂伸縮速度750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回轉(zhuǎn)速度110º／s，手腕回轉(zhuǎn)速度360º/s</p><p>　　4、手臂伸縮行程范圍0~500mm，手臂升降行程范圍最大0～200mm，手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0º~220º。</p><p>　　5、驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)</p><

64、p>　　3.2 夾持式手部結(jié)構(gòu)</p><p>　　夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機(jī)構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。</p><p>　　3.2.1 手指的形狀和分類</p><p>　　夾持式是最常見(jiàn)的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾

65、式兩種:按模仿人手手指的動(dòng)作，手指可分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型(或稱直進(jìn)型)，其中以二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的兩個(gè)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離縮小到無(wú)窮小時(shí)，就變成了一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手指的手指長(zhǎng)度變成無(wú)窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開(kāi)閉角較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動(dòng)型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動(dòng)型手指夾持直徑變化的零件時(shí)不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件[7]。</

66、p><p>　　3.2.2 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問(wèn)題</p><p>　　1．具有足夠的握力(即夾緊力)</p><p>　　在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。</p><p>　　2.手指間應(yīng)具有一定的開(kāi)閉角</p><p>　　兩手指張開(kāi)與閉

67、合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開(kāi)閉幅度的要求。</p><p>　　3.保證工件準(zhǔn)確定位</p><p>　　為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)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(dòng)定心。</p>&

68、lt;p>　　4.具有足夠的強(qiáng)度和剛度</p><p>　　手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求有足夠的強(qiáng)度和剛度以防折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。</p><p>　　5.應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求</p><p>　　(1)抓取

69、形狀 手指形狀應(yīng)根據(jù)工件形狀而設(shè)計(jì)。如工件為圓柱形．則采用“V”形手指；圓球狀工件用圓弧形三指手指，方料用平面形手指，細(xì)絲工件用尖指勾形或細(xì)齒鉗爪手指?？傊畱?yīng)根據(jù)工件形狀來(lái)選定手指形狀。</p><p>　　(2)抓取部位 抓取部位的尺寸盡可能是不變的．若加工后尺寸有變化，手指應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對(duì)于工件表面質(zhì)量要求高的，抓取時(shí)盡量避開(kāi)高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)墊片(如橡皮．抱沫塑

70、料．石棉襯墊等)，以防夾持時(shí)損壞工件。</p><p>　　(3)抓取數(shù)量 若用一對(duì)手指抓取多個(gè)工件，為了不發(fā)生個(gè)別工件的松動(dòng)或脫落現(xiàn)象，在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫、塑料等 ，對(duì)于較長(zhǎng)工件可采用雙指或多指抓取。</p><p>　　6.應(yīng)考慮手指的多用性</p><p>　　手指是專用性較強(qiáng)的部件，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可制成組合

71、式的手指，對(duì)于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維修方便，更換迅速和準(zhǔn)確，以便擴(kuò)大機(jī)械手的使用范圍[8]。</p><p>　　3.2.3 手部夾緊油缸的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算</b></p><p>　　本課題液壓機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，</p><p>　　1-夾持器 2-齒條活塞桿 3

72、-小齒輪 4-銷 5-套筒 6-銷軸 7-壓力彈簧 8-法蘭</p><p>　　圖3-1齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1．根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計(jì)算公式[9]:</p><p>　　式中：-為夾持工件的握力，</p><p>　　-為工件重量，N，要求抓取重量為</p><p>　　-為手指夾角

73、的1/2,角度,V形手指的角度</p><p><b>　　—為摩擦系數(shù) 取</b></p><p><b>　　代入式中</b></p><p>　　2．根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的示意圖3-1，其驅(qū)動(dòng)力為:</p><p>　　式中：—為理論驅(qū)動(dòng)力，</p><p>　　—為夾持物體中

74、心到銷軸的中心距，</p><p>　　—銷軸到小齒輪的中心距 </p><p><b>　　代入式中</b></p><p><b>　　3．實(shí)際驅(qū)動(dòng)力:</b></p><p>　　式中—為實(shí)際驅(qū)動(dòng)力, </p><p>　　—為工作效率因?yàn)閭鲃?dòng)機(jī)構(gòu)為齒輪齒條傳動(dòng)，故取&

75、lt;/p><p>　　—為安全系數(shù) 通常取1.2~2 這里取</p><p>　　—為工作情況系數(shù) 若被抓取工件的最大加速度取時(shí)，則: </p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　夾持工件時(shí)所需夾緊液壓缸的驅(qū)動(dòng)力為。</p><p>　　手指夾緊工件時(shí)，彈簧變形所產(chǎn)生的彈簧力（

76、選擇彈簧型號(hào)為GB1239-89）</p><p>　　式中 —為彈簧變形所產(chǎn)生的彈力</p><p>　　—為手指夾緊工件時(shí)彈簧的變形量，，</p><p>　　—彈簧材料的切變模量 </p><p>　　—為使手指松開(kāi)的復(fù)位彈簧絲直徑</p><p>　　—為彈簧的旋繞比（又稱為彈簧指數(shù) ）</p>

77、<p>　　—為彈簧的有效圈數(shù)； </p><p>　　3、求夾緊缸的工作壓力</p><p>　　作用在夾緊缸活塞上的機(jī)械載荷P為：</p><p>　　式中 —為夾緊活塞上的機(jī)械載荷,</p><p><b>　　—為實(shí)際驅(qū)動(dòng)力,N</b></p><p>　　—為彈簧變形所產(chǎn)生的彈

78、簧力,N</p><p>　　—為密封處的工作壓力 由于密封裝置的摩擦阻力較工作阻力（）小，故按照經(jīng)驗(yàn)取，取</p><p><b>　　計(jì)算得</b></p><p>　　因作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動(dòng)力與機(jī)械載荷p相平衡，故夾緊缸的工作壓力p為：</p><p>　　式中D—為夾緊缸直徑，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得知，所以<

79、;/p><p>　　第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　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)油缸。</p><p>　　4.1 手腕的自由度 </p><p>　　手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方

80、位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。如圖4—1所示的手腕運(yùn)動(dòng)有繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為上下擺動(dòng)(或俯仰)，繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱為左右擺動(dòng)，沿y軸方向的橫向移動(dòng)(或沿Z軸方向縱向移動(dòng))。因此手腕最多具有四個(gè)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)即四個(gè)自由度[10]。</p><p>　　圖4-1 手腕運(yùn)動(dòng)示意圖</p><p>　　手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性，加工工藝要求，工件放置方位

81、和定位精度等許多因素有關(guān)，一般手腕沒(méi)有回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或再增一個(gè)上下擺動(dòng)即可滿足工作的要求，也有的專用機(jī)械手沒(méi)有手腕的運(yùn)動(dòng)，若有特殊要求的可增加手腕左右擺動(dòng)或沿y軸方向的橫向移動(dòng)。</p><p>　　手腕自由度的選用與機(jī)械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機(jī)械手抓取的工件是水平放置，同時(shí)考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)才可滿足工作的要求目前實(shí)現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，應(yīng)用最多

82、的為回轉(zhuǎn)油缸，我們選用的是回轉(zhuǎn)油缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，并且要求嚴(yán)格的密封。</p><p>　　4.2 手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算</p><p>　　4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩</p><p>　　手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動(dòng)均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封

83、裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)件的中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩[11].圖4-2所示為手腕受力的示意圖。</p><p>　　1.工件2.手部3.手腕</p><p>　　圖4-2手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài)圖</p><p>　　手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算:</p><p>　　式中:- 驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩，</p>

84、<p><b>　　- 慣性力矩，</b></p><p>　　- 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩，</p><p>　　- 手腕回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，</p><p>　　下面以圖4-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計(jì)算:</p>

85、;<p>　　1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩</p><p>　　若手腕起動(dòng)過(guò)程按等加速運(yùn)動(dòng)，則:</p><p>　　式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，</p><p>　　- 工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，。</p><p>　　—手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度，弧度</p><p>　　—起

86、動(dòng)過(guò)程所用的時(shí)間，</p><p>　　若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:</p><p>　　式中: - 工件對(duì)過(guò)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，；</p><p><b>　　- 工件的重量，</b></p><p>　　- 工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距, </p><p>　　- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角

87、速度，弧度/s；</p><p>　　- 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間，</p><p>　　— 起動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度，弧度</p><p>　　2、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏</p><p><b>　　，</b></p><p>　　式中: - 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量，；</p

88、><p>　　- 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距，</p><p>　　當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則。</p><p>　　3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩 </p><p><b>　　，</b></p><p>　　式中: ，- 轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑，</p><p&

89、gt;　　- 摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承，對(duì)于滑動(dòng)軸承；</p><p>　　,- 處的支承反力，N，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，</p><p><b>　　根據(jù),得:</b></p><p><b>　　同理，根據(jù),得:</b></p><p>　　式中:- 手部的重量，</p>&

90、lt;p>　　- 如圖4-2所示的長(zhǎng)度尺寸，</p><p>　　4.2.2 手腕回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算</p><p>　　在機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，它的原理如圖4-3所示，定片1與缸體2固連，動(dòng)片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動(dòng)片封圈4把油腔分隔成兩個(gè).當(dāng)壓縮油從孔a進(jìn)入時(shí)，推動(dòng)輸出軸作逆時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸作順時(shí)針?lè)较蚧剞D(zhuǎn)[12]

91、。單葉片回轉(zhuǎn)油缸的壓力P和驅(qū)動(dòng)力矩M的關(guān)系為:</p><p>　　, 或 （4-1）</p><p>　　1-定片 2-缸體 3-動(dòng)片 4-動(dòng)片風(fēng)圈 5-回轉(zhuǎn)軸 a-進(jìn)油口 b-出油口</p><p>　　圖4-3 回轉(zhuǎn)油缸簡(jiǎn)圖</p><p>　　4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核</p><p&g

92、t;<b>　　1.尺寸設(shè)計(jì)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)油缸內(nèi)徑為,半徑,軸徑,半徑,油缸運(yùn)行角速度，加速度時(shí)間，回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力為，動(dòng)片寬度為。</p><p>　　由公式（4-1）計(jì)算力矩：</p><p><b>　　力矩</b></p><p><b>　　2.尺寸校核&l

93、t;/b></p><p>　　1．測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：</p><p>　　工件的質(zhì)量為,質(zhì)量分布于長(zhǎng)的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</p><p>　　假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長(zhǎng)的棒料來(lái)說(shuō)，最大偏心距</p><p><b>　　，其轉(zhuǎn)動(dòng)

94、慣量為:</b></p><p><b>　　則： </b></p><p>　　2．手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件和工件的偏重對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合，，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線,則</p><p>　　式中：—為手腕回轉(zhuǎn)部件的重量，</p><p><b>　　—

95、為工件的重量，</b></p><p>　　3．手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為</p><p>　　由于是液壓傳動(dòng)，潤(rùn)滑比較好，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得知摩擦力矩很小，故忽略不計(jì)。</p><p>　　4．回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩</p><p>　　式中—為回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩

96、，</p><p>　　—為輸出軸與缸蓋密封裝置處的摩擦阻力矩，</p><p>　　式中—輸出軸與缸蓋密封處直徑，</p><p>　　—密封的有效長(zhǎng)度（或密封寬度）, </p><p>　　—“O”形密封圈的截面直徑；</p><p>　　—“O”形圈在裝配時(shí)的壓縮率，對(duì)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，,取</p>&l

97、t;p><b>　　—摩擦系數(shù)，</b></p><p>　　—回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力,</p><p>　　則： </p><p>　　—為動(dòng)片側(cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩，</p><p>　　—?jiǎng)悠鈴脚c油缸密封裝置處的摩擦阻力矩，</p><p>　　—?jiǎng)悠瑐?cè)面與缸

98、蓋密封處的摩擦阻力矩</p><p>　　其中： </p><p><b>　　— 回轉(zhuǎn)油缸直徑</b></p><p>　　— 回轉(zhuǎn)油缸與動(dòng)片連接處直徑</p><p><b>　　由設(shè)計(jì)得：</b></p><p><b>　　則&l

99、t;/b></p><p>　　：動(dòng)片外徑與油缸密封裝置處的摩擦阻力矩</p><p>　　其中為動(dòng)片的寬度，，，，和同上述。</p><p>　　則： </p><p>　　5、回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背壓反力矩</p><p>　　其中為回油腔的油液壓力，在這里初步估算為</p><

100、;p><b>　　則： </b></p><p>　　則手腕回轉(zhuǎn)油缸所需的驅(qū)動(dòng)力矩為：</p><p>　　所以設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。</p><p>　　第5章 手臂工作油缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算</p><p>　　5.1 手臂伸縮油缸的設(shè)計(jì)與校核</p><p>　　手臂的伸縮動(dòng)作由伸

101、縮油缸帶動(dòng)，需要計(jì)算油缸的驅(qū)動(dòng)力。所謂油缸的驅(qū)動(dòng)力是指油缸的高壓油腔的壓力油所產(chǎn)生的合成液壓力。在機(jī)械手工作時(shí)，各油缸的驅(qū)動(dòng)力要分別克服作用在各自油缸活塞上的總機(jī)械載荷，以保證機(jī)械手正常運(yùn)動(dòng)[13]。</p><p>　　手臂伸縮油缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,油缸內(nèi)徑為，半徑。</p><p>　　5.1.2 尺寸校核</p><p>　　1、設(shè)計(jì)油缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,油缸內(nèi)

102、徑為,半徑, 活塞運(yùn)行速度為，加速度時(shí)間，進(jìn)油壓力為。</p><p>　　當(dāng)壓力油輸入無(wú)桿腔，使活塞以速度而運(yùn)動(dòng)是所需輸入油缸的流量為：</p><p>　　式中： — 油缸（或活塞）直徑， </p><p>　　— 輸入無(wú)桿腔的流量，</p><p>　　— 活塞的移動(dòng)速度， </p><p><b>　

103、　流量為：</b></p><p>　　油缸的無(wú)桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力即油缸的驅(qū)動(dòng)力為：</p><p>　　式中： — 進(jìn)油壓力，</p><p><b>　　— 油缸驅(qū)動(dòng)力，</b></p><p>　　當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度而運(yùn)動(dòng)是所需輸入油缸的流量為：</p>

104、<p>　　式中：— 活塞桿直徑（mm） </p><p>　　— 輸入無(wú)桿腔的流量，</p><p>　　— 活塞的移動(dòng)速度，，</p><p><b>　　則流量為：</b></p><p>　　油缸的無(wú)桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力即油缸的驅(qū)動(dòng)力為：</p><p>　　

105、2、計(jì)算作用在活塞上的總機(jī)械載荷</p><p>　　機(jī)械手手臂移動(dòng)油缸的受力簡(jiǎn)圖如圖5-1所示。作用在活塞上的總機(jī)械載荷P為：</p><p>　　圖5-1 手臂伸縮油缸受力簡(jiǎn)圖</p><p>　　1.工作阻力：工作阻力的數(shù)值要根據(jù)油缸工作的具體情況確定有無(wú)，并進(jìn)行計(jì)算或估算。</p><p>　　在此為完成搬運(yùn)工件的伸縮油缸，故不受

106、工作阻力，即為0。</p><p>　　2.導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力：不同配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。</p><p>　　本設(shè)計(jì)如圖5-1所示的是雙向桿導(dǎo)機(jī)構(gòu)，其導(dǎo)向桿截面形狀是圓柱面。導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在油缸的兩側(cè)，并布置在過(guò)油缸活塞桿的平面內(nèi)。</p><p>　　圖5-1所示的油缸在啟動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力較大，估計(jì)如下：&

107、lt;/p><p>　　由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均勻，可按一只導(dǎo)向桿估算，忽略導(dǎo)向桿直徑的影響，根據(jù)它手里的平衡條件推得：</p><p>　　式中 — 參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量，（包括被抓物件重量）估算為</p><p>　　— 手臂縮回時(shí)參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心C到導(dǎo)向支承前端的距離 </p><p>　　— 導(dǎo)向支承的長(zhǎng)度，

108、 </p><p>　　— 摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無(wú)潤(rùn)滑時(shí)，鋼對(duì)鋼的取</p><p>　　— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)，對(duì)于圓柱面 ，取</p><p>　　則： </p><p>　　3.密封裝置處的摩擦阻力</p><p>　　在壓力油驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，各密封裝置處摩擦阻力之和為，即

109、</p><p>　　分別為活塞桿和缸蓋處、活塞與缸壁處、伸縮油管處等密封裝置處的摩擦阻力，其值隨密封圈結(jié)構(gòu)的不同而異。</p><p>　　當(dāng)油缸的工作壓力不大于時(shí)，活塞桿直徑為油缸直徑的一半，活塞和活塞桿處走采用O型密封圈時(shí)，油缸密封處的總摩擦力為：</p><p>　　伸縮油管處的摩擦阻力為：</p><p>　　式中 —密封圈與配

110、合面的摩擦系數(shù)，主要與密封圈形式、材料與配合接觸的零件材料和油液壓力有關(guān)。</p><p>　　對(duì)于O型橡膠密封圈，當(dāng)油液壓力時(shí)，。油液壓力高時(shí)取小值，壓力低時(shí)取大值，在本次設(shè)計(jì)中取。</p><p>　　—密封處的工作壓力，，</p><p><b>　　—伸縮油管直徑，，</b></p><p><b>　

111、　—密封的有效長(zhǎng)度，</b></p><p>　　密封的有效長(zhǎng)度l近似估算為：</p><p>　　式中：—為壓縮率 一般為，在這里取</p><p>　　—為O型密封圈截面直徑， 對(duì)應(yīng)圖帶入</p><p>　　則： </p><p><b>　　4.慣性力&

112、lt;/b></p><p>　　機(jī)械手的手臂在起動(dòng)時(shí)，活塞桿上所受到的平均慣性力，可近似計(jì)算如下：</p><p>　　式中： — 參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量，（包括被抓物件重量）</p><p>　　g — 重力加速度， </p><p>　　— 速度變化量， ，</p><p>　　— 啟動(dòng)過(guò)程的時(shí)間

113、， </p><p>　　則： </p><p><b>　　5.背壓阻力</b></p><p>　　背壓阻力為油缸低壓油液所造成的阻力。一般被壓阻力較小，可按計(jì)算。</p><p><b>　　由于，故。</b></p><p><b>　　所以：

114、 </b></p><p>　　因?yàn)椋?，故該油缸的尺寸符合使用要求?lt;/p><p>　　5.1.3 導(dǎo)向裝置</p><p>　　液壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手臂在進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體

115、重量等因素來(lái)確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)該盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少對(duì)回轉(zhuǎn)中心的慣量。目前導(dǎo)向桿常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計(jì)中采用雙向?qū)驐U來(lái)增加手臂的剛性和導(dǎo)向性[16]。</p><p>　　5.1.4 平衡裝置</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對(duì)性能的影響，故在手臂伸縮油缸一側(cè)加裝平衡裝置，

116、裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和油缸的運(yùn)行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。</p><p>　　5.2 手臂升降油缸的設(shè)計(jì)與校核</p><p>　　5.2.1 尺寸設(shè)計(jì)</p><p>　　油缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為,油缸運(yùn)行速度為，加速度時(shí)間,油缸內(nèi)徑為,半徑,進(jìn)油壓力為，做升降運(yùn)動(dòng)的總重量。</p><p>　

117、　5.2.2 尺寸校核</p><p><b>　　驅(qū)動(dòng)力為：</b></p><p><b>　　由經(jīng)驗(yàn)公式可得：</b></p><p><b>　　故：</b></p><p>　　作用在活塞上的推力：</p><p>　　因?yàn)?，所以伸縮油缸的尺寸

118、符合要求。</p><p>　　5.3 手臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)與校核</p><p>　　采用回轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力情況可簡(jiǎn)化成如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)圖</p><p>　　5.3.1 尺寸設(shè)計(jì)</p><p>　　油缸內(nèi)徑為,半徑,軸徑半徑,油缸運(yùn)行角速度

119、，加速度時(shí)間，進(jìn)油壓力</p><p>　　5.3.2 尺寸校核</p><p>　　驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩，應(yīng)該與手臂起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平街。若軸承處摩擦力矩忽略不計(jì)，則可按下式計(jì)算：</p><p>　　式中 — 密封裝置處的摩擦阻力矩，回轉(zhuǎn)缸密封裝置處的摩擦阻力矩應(yīng)包括回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片圓柱面與缸徑和動(dòng)片端面與缸蓋之間的摩擦阻力矩，如圖

120、5-2中b所示，因此，摩擦阻力矩可按下式計(jì)算：</p><p>　　其中： </p><p>　　式中各尺寸符號(hào)如圖5-2所示，單位為厘米，其為密封圈與缸徑裝配后接觸面的有效寬度。</p><p><b>　　由設(shè)計(jì)估算：</b></p><p>　　— 慣性力矩，手臂在起動(dòng)過(guò)程的慣性力矩可按下式計(jì)算：&