北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1頁(yè)共43頁(yè)一 、 引 言 引 言 引 言 引 言1.1機(jī)械液壓通用機(jī)械手 ， 就其本質(zhì)上來說 ， 屬于工業(yè)機(jī)器人的范疇 ， 機(jī)器人學(xué)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學(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 ， 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。 “ 機(jī)械手 ” （ MachanicalHand） ： 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。 1.2機(jī)械手特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)與研究意義機(jī) 器人的特點(diǎn) 機(jī) 器人的特點(diǎn) 機(jī) 器人的特點(diǎn) 機(jī) 器人的特點(diǎn)機(jī)器人的主要特點(diǎn)體現(xiàn)在它的通用性和適應(yīng)性等方面。 1.通用性機(jī)器人的通用性指具有執(zhí)行不同功能和完成多樣簡(jiǎn)單任務(wù)的實(shí)際能力 ； 通用性也意味著 ， 機(jī)器人是可變的幾何結(jié)構(gòu) 。 或者說在機(jī)械結(jié)構(gòu)上允許機(jī)器人執(zhí)行不同的任務(wù)或以不同的方式完成同一工作。 2.適應(yīng)性機(jī)器人的適應(yīng)性是指具有對(duì)環(huán)境的自適應(yīng)能力 ， 及機(jī)器人能夠自主執(zhí)行實(shí)現(xiàn)經(jīng)規(guī)劃的中間任務(wù)，而不管執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預(yù)計(jì)到的環(huán)境變化。 1.2機(jī) 器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī) 器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī) 器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī) 器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)一般由四個(gè)相互作用的部分組成 ， 即機(jī)械手 、 環(huán)境 、 任務(wù)和控制器。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第2頁(yè)共43頁(yè)工業(yè)機(jī)器人的本體機(jī)械系統(tǒng)即為通常的機(jī)械手裝置 ， 他由肩 、 臂 、 腕 、 機(jī)身或行走機(jī)構(gòu)組成，組合為一個(gè)相互依賴的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 環(huán)境即指機(jī)器人所處的周圍狀態(tài) ， 環(huán)境不僅由機(jī)和條件決定 ， 而且有環(huán)境和它所包含的每個(gè)事物的全部自然特性決定。 機(jī) 器 人 體 系 結(jié) 構(gòu) 中 的 任 務(wù) 一 般 定 義 為 環(huán) 境 的 兩 種 狀 態(tài) （ 初 始 狀 態(tài) 和 目 標(biāo) 狀態(tài)）間的差別，必須用適當(dāng)?shù)某绦蛘Z言來描述，并能為計(jì)算機(jī)所理解。 機(jī)器人控制器一般為控制計(jì)算機(jī) ， 接收來自傳感器的信號(hào) ， 對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理 ， 并按照預(yù)存信息 ， 即機(jī)器人的狀態(tài)及環(huán)境情況等 ， 生成控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。1.23機(jī) 械手的研究意義 機(jī) 械手的研究意義 機(jī) 械手的研究意義 機(jī) 械手的研究意義隨著現(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。 在機(jī)械工業(yè)中，應(yīng)用機(jī)械手的意義可以概括如下： (1)可以提高生產(chǎn)過程的自動(dòng)化程度。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。 (2)可以改善勞動(dòng)條件，避免人身事故。在高溫 、 高壓 、 低溫 、 低壓 、 噪聲 、 臭味 、 有放射性物質(zhì)的環(huán)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。 (3)可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。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)的節(jié)拍 ，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。 （ 4） 用液壓系統(tǒng)來控制機(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。 （ 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。 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)。 1.3國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r專用機(jī)械手經(jīng)過幾十年的發(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)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計(jì)的成本 。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第3頁(yè)共43頁(yè)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 ， 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)在也越來越感覺到機(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。 目前國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)是：(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。 (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)。 (3)研制維修維護(hù)方便的通用機(jī)械手。(4)研制能自動(dòng)編制和自動(dòng)改變程序的通用機(jī)械手。(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。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚(yáng)聲器作為嘴能說話進(jìn)行應(yīng)答 ， 用熱 電 偶 和 電 阻 應(yīng) 變 儀 作 為 觸 覺 和 感 觸 。 用 滾 輪 或 者 雙 足 式 機(jī) 構(gòu) 腳 來 實(shí) 現(xiàn) 自 動(dòng) 移位。這樣的智能機(jī)械手可以由人的特殊 語言對(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。 (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。 (7)研制具有柔性系統(tǒng)的通用機(jī)械手目前，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 。 現(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入程序的方向發(fā)展 ， 而且機(jī)械手具有比原來的更多的自由度?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)具有越來越強(qiáng)的自主研發(fā)的單位 ，我相信在不久的將來 ， 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)械方面處于領(lǐng)先地位。 1.4機(jī)械手的組成和分類 機(jī) 械手的組成 機(jī) 械手的組成 機(jī) 械手的組成 機(jī) 械手的組成機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測(cè)裝置等所組成 。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第4頁(yè)共43頁(yè)各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖 1-1所示。1.42機(jī) 械手的分類 機(jī) 械手的分類 機(jī) 械手的分類 機(jī) 械手的分類工業(yè)機(jī)械手的種類很多 ， 關(guān)于分類的問題 ， 目前在國(guó)內(nèi)尚無統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn) ，在此暫按使用范圍、驅(qū)動(dòng)方式和控制系統(tǒng)等進(jìn)行分類。 一、按用途分 機(jī)械手可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種：1、專用機(jī)械手 它是附屬于主機(jī)的 、 具有固定程序而無獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置 。 專用機(jī)械手具有動(dòng)作少 、 工作對(duì)象單一 、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn) ， 適用于大批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)械手 ， 如自動(dòng)機(jī)床 、 自動(dòng)線的上 、 下料機(jī)械手和“ 加工中心 ” 。2、通用機(jī)械手它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的 、 程序可變的 、 動(dòng)作靈活多樣的機(jī)械手 。 格性能范圍內(nèi) ， 其動(dòng)作程序是可變的 ， 通過調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用 ， 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是獨(dú)立的 。 通用機(jī)械手的工作范圍大 、 定位精度高 、 通用性強(qiáng) ， 適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn) 。 通用機(jī)械手按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種 :簡(jiǎn)易型以 “ 開一關(guān) ” 式控制定位，只能是點(diǎn)位控制 :可以是點(diǎn)位的，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng) ，一般的伺服型通用機(jī)械手屬于數(shù)控類型。 (二 )按驅(qū)動(dòng)方式分1、液壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以液壓的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是 :抓重可達(dá)幾百公斤以上 、 傳動(dòng)平穩(wěn) 、 結(jié)構(gòu)緊湊 、 動(dòng)作靈敏 。 但對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格 ， 不然油的泄漏對(duì)機(jī)械手的工作性能有很大的影響 ， 且不宜在高溫 、 低溫下工作 。 若機(jī)械手采用電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) ， 可實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制 ， 使機(jī)械手的通用性擴(kuò)大 ， 但是電液伺服閥的制造精度高，油液過濾要求嚴(yán)格，成本高。 2、氣壓傳動(dòng)機(jī)械手 是以壓縮空氣的壓力來驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手。其主要特點(diǎn)是 :介質(zhì)李源極為方便 ， 輸出力小 ， 氣動(dòng)動(dòng)作迅速 ， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 成本低 。 但是 ， 由于空氣具控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置檢測(cè)裝置北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第5頁(yè)共43頁(yè)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(jī)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(jìn)行工作。 3、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)械手 即由機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu) (如凸輪 、 連桿 、 齒輪和齒條 、 間歇機(jī)構(gòu)等 )驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手 。它是一種附屬于工作主機(jī)的專用機(jī)械手 ， 其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的 。 它的主要特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確可靠，用于工作主機(jī)的上、下料。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大 ， 動(dòng)作程序不可變。 4、電力傳動(dòng)機(jī)械手 即有特殊結(jié)構(gòu)的感應(yīng)電動(dòng)機(jī) 、 直線電機(jī)或功率步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的械手 ， 因?yàn)椴恍枰虚g的轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu) ， 故機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 。 其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng) ， 維護(hù)和使用方便 。 此類機(jī)械手目前還不多 ， 但有發(fā)展前途。 (三 )按控制方式分1、點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過程中幾個(gè)點(diǎn)的位置 ， 不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性 。 目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類。 2、連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線 ， 其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無限的 ， 整個(gè)移動(dòng)過程處于控制之下 ， 可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng) ， 并且使用范圍廣 ， 但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第6頁(yè)共43頁(yè)二 、 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 的 確 定 二 、 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 的 確 定 二 、 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 的 確 定 二 、 機(jī) 械 手 總 體 結(jié) 構(gòu) 的 確 定 2.1機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)自由度物體上任何一點(diǎn)都與坐標(biāo)軸的正交集合有關(guān) 。 物體能夠能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度（ DOFdegreeoffreedom） 。自由度是指描述物體運(yùn)動(dòng)所需的獨(dú)立坐標(biāo)數(shù) ， 三維空間需要 6個(gè)自由度 。 物體所能進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)有沿著坐標(biāo)軸的三個(gè)平移自由度和繞坐標(biāo)軸的三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。 一般固定程序的機(jī)械手 ， 動(dòng)作比較簡(jiǎn)單 ， 自由度數(shù)較少 。 工業(yè)機(jī)器人自由度數(shù)較多 ， 動(dòng)作靈活性和通用性較大 。 一般說來 ， 機(jī)器人靠近機(jī)座的 3個(gè)自由度是用來實(shí)現(xiàn)手臂末端的空間位置的，再用幾個(gè)自由度來定出末端執(zhí)行器的方位； 7個(gè)以上的自由度是冗余自由度，是用來躲避障礙物的。 自由度的選擇也與生產(chǎn)要求有關(guān) ， 若批量大 ， 操作可靠性要求高 ， 運(yùn)行速度快 ， 周圍設(shè)備構(gòu)成比較復(fù)雜 ， 工件質(zhì)量輕時(shí) ， 機(jī)械手的自由度數(shù)可少 ； 如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，則機(jī)械手的自由度要多一些。 計(jì)算機(jī)械手的自由度時(shí) ， 末端執(zhí)行器的夾持器動(dòng)作是不計(jì)入的 ， 因?yàn)檫@個(gè)動(dòng)作不改變工件的位置和姿態(tài) 。 在滿足機(jī)械手工作要求前提下 ， 為簡(jiǎn)化機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和控制，應(yīng)使自由度數(shù)最少。 本 設(shè)計(jì)的通用機(jī)械手的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，自由度選擇為四個(gè)。分別為大臂回轉(zhuǎn) 、 大臂升降 、 小臂回轉(zhuǎn)和小臂伸縮 。 分別由大臂回轉(zhuǎn)油缸 、 大臂升降油缸 、小臂回轉(zhuǎn)油缸和小臂伸縮油缸控制。 2.2工作空間的確定工作空間是指機(jī)械手正常工作時(shí) ， 手腕參考點(diǎn)在空間活動(dòng)的最大范圍 ， 依據(jù)機(jī)械手工作范圍和運(yùn)動(dòng)軌跡確定。工作空間大小不僅與機(jī)器人各桿件尺寸有關(guān) ，而且也與它的總體構(gòu)形有關(guān) 。 在工作空間內(nèi)要考慮桿件自身的干涉 ， 防止與作業(yè)環(huán)境發(fā)生碰撞。此外在工作空間內(nèi)某些位置，機(jī)械手不可能達(dá)到預(yù)定的速度 ， 甚北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第7頁(yè)共43頁(yè)至不能在某些方向上運(yùn)動(dòng)，即所謂工作空間的奇異性。 本機(jī)械手的工作空間要求為 ： 手臂伸縮行程范圍 0500mm， 手臂升降行程范圍最大 0 100mm，手臂回轉(zhuǎn)行程范圍 0220。2.3額定負(fù)載的確定 承載能力說明機(jī)械手搬運(yùn)重物的能力 ， 負(fù)載大小主要考慮 機(jī)械手 各運(yùn)動(dòng)軸上的受力和力矩 ， 末端執(zhí)行器的重量 ， 抓取工件的重量 ， 以及由運(yùn)動(dòng)速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。 任務(wù)書要求能夾持重量為 50N的物體 ， 考慮末端執(zhí)行器的重量及各運(yùn)動(dòng)軸上的受力和力矩，以及考慮足夠的安全系數(shù)，初步確定設(shè)計(jì)負(fù)載為 800N。2.4機(jī)械手結(jié)構(gòu)形式的確定本畢業(yè)設(shè)計(jì)是通用機(jī)械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種： 表 2-2機(jī)械手結(jié)構(gòu)選型表 6結(jié)構(gòu)形式方案 特點(diǎn) 優(yōu)缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖1直角坐標(biāo)型 作機(jī)的手臂具有三 個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其關(guān) 節(jié)軸線按直角坐標(biāo) 配置 結(jié)構(gòu)剛度較好 ， 控制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 最為簡(jiǎn)單 ， 但其占空間較大 ， 且運(yùn)動(dòng)軌跡單一 ， 使用過程中效率較低2圓柱坐標(biāo)型 操作機(jī)的手臂至少 有一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和 一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其 關(guān)節(jié)軸線按圓柱坐 標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)剛度較好 ， 運(yùn)動(dòng)所需功率較小 ，控制難度較小 ， 但運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單 ， 使用 過 程 中 效 率 不高3球坐標(biāo)型 操作機(jī)的手臂具有 兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一 個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其軸 線按極坐標(biāo)系配置 結(jié)構(gòu)緊湊 ， 但其控制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 有一定難度 ， 且機(jī)械手臂的剛度不足 ，機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 較 為 復(fù)雜北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第8頁(yè)共43頁(yè)4關(guān)節(jié)型 操作機(jī)的手臂類似 人 的 上 肢 關(guān) 節(jié) 動(dòng)作，具有三個(gè)回轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié) 運(yùn)動(dòng)軌跡復(fù)雜 ， 結(jié)構(gòu)最為緊湊 ， 但控制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 難度大 ， 機(jī)械手臂的剛度差2.5運(yùn)動(dòng)速度機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度是其主要運(yùn)動(dòng)參數(shù)之一。它反映了機(jī)器人的作業(yè)水平 ， 運(yùn)動(dòng)速度的快慢與它的驅(qū)動(dòng)方式 、 定位方式 、 抓去質(zhì)量大小和行程距離有關(guān) ， 作業(yè)機(jī)器人手臂的運(yùn)動(dòng)速度應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍 、 生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。 目 前，工業(yè)機(jī)器人的最大直線運(yùn)行速度大部分為 1000mm/s左 右；最大回轉(zhuǎn)速 度 110/s左 右 。 在 本 次 設(shè) 計(jì) 中 選 定 手 臂 伸 縮 速 度 750mm/s， 手 臂 升 降 速 度250mm/s， 手臂回轉(zhuǎn)速度 110 s， 手腕回轉(zhuǎn)速度 360/s， 驅(qū)動(dòng)方式為電 -液伺服系統(tǒng) 。 作為機(jī)器人規(guī)格參數(shù)的運(yùn)動(dòng)速度是指全程的平均速度 ， 實(shí)際使用速度可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 2.6定位精度定 位 精 度 是 衡 量 機(jī) 器 人 工 作 質(zhì) 量 的 又 一 項(xiàng) 重 要 指 標(biāo) ， 一 般 所 說 的 定 位 精 度是指重復(fù)頂誒精度 。 定位精度取決于位置控制方式及機(jī)器人本體部件的結(jié)構(gòu)剛度與精度 ， 與抓取質(zhì)量 、 運(yùn)動(dòng)速度 、 定位方式等也有密切關(guān)系 。 目前 ， 專用機(jī)械手采用固定擋塊定位方式可達(dá)到較高的定位精度 （ 大約為 0.02） ， 采用行程開關(guān) 、電 位 計(jì) 等 電 器 元 件 控 制 的 位 置 精 度 相 對(duì) 較 低 ， 大 約 為 1mm。 伺 服 控 制 系 統(tǒng) 的 機(jī)器人是一種位置跟蹤系統(tǒng) ， 即使在高速重載的情況下 ， 也可不發(fā)生劇烈的沖擊和振動(dòng)，因此可獲得較高的定位精度，重復(fù)定位精度最高可達(dá)到 0.01mm。2.7程序編制與存儲(chǔ)容量程序編制與存儲(chǔ)容量這個(gè)技術(shù)參數(shù)用來說明機(jī)器人的控制能力 ， 即程序編制和 存 儲(chǔ) 容 量 的 大 小 表 明 機(jī) 器 人 作 業(yè) 能 力 的 復(fù) 雜 程 度 和 改 變 程 序 時(shí) 的 適 應(yīng) 能 力 及通用程度。 2.8機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表1、手臂力可達(dá) 50N北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第9頁(yè)共43頁(yè)2、自由度數(shù) 43、坐標(biāo)形式 圓柱坐標(biāo)4、 手 臂 伸 縮 速 度 750mm/s， 手 臂 升 降 速 度 250mm/s， 手 臂 回 轉(zhuǎn) 速 度 110 s，手腕回轉(zhuǎn)速度 360/s，驅(qū)動(dòng)方式為電 -液伺服系統(tǒng) 。5、 手 臂伸縮行程范圍 0500mm， 手臂升降行程范圍最大 0 100mm， 手臂回轉(zhuǎn)行程范圍 0220。6、定位方式 行程開關(guān)或可調(diào)機(jī)械擋塊等7、定位精度 m18、驅(qū)動(dòng)方式 液壓驅(qū)動(dòng)9、控制方式 點(diǎn)位程序控制（采用 PLC）三 、 手 部 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 三 、 手 部 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 三 、 手 部 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 三 、 手 部 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)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)作的功能 ， ， 并安 裝于機(jī)械手手臂的前端，如圖 3 1所 示為齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)。其手指夾緊工件是由夾緊氣缸 1中的齒條活塞桿 8在壓縮空氣作用下右移 ， 經(jīng)齒條推動(dòng)齒 輪7并帶動(dòng)扇形齒軸 5回轉(zhuǎn) ， 因手指 6與扇形齒輪 5固結(jié)為一體 ， 所以兩個(gè)手指同時(shí)回轉(zhuǎn)而夾緊工件。由于采用單向作用油缸，故靠彈簧 3復(fù)位，使手指張開 。 手部結(jié)構(gòu)中的齒輪齒條屬于傳力機(jī)構(gòu)。 3.1夾持式手部結(jié)構(gòu) 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。 3.1手 指的形狀和分類 手 指的形狀和分類 手 指的形狀和分類 手 指的形狀和分類夾持式是最常見的一種 ， 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)度變成無窮長(zhǎng)時(shí)，就成為移動(dòng)型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，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。 3.12設(shè) 計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 設(shè) 計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 設(shè) 計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題 設(shè) 計(jì)時(shí)考慮的幾個(gè)問題(一 )具有足夠的握力 (即夾緊力 )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 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。 (二 )手指間應(yīng)具有一定的開閉角 兩 手 指 張 開 與 閉 合 的 兩 個(gè) 極 限 位 置 所 夾 的 角 度 稱 為 手 指 的 開 閉 角 。 手 指 的開閉角應(yīng)保證工件能順利進(jìn)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。對(duì)于移動(dòng)型手指只有開閉幅度的要求。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第10頁(yè)共43頁(yè)(三 )保證工件準(zhǔn)確定位 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 。(四 )具有足夠的強(qiáng)度和剛度 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 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。 (五 )應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求 1 抓取形狀 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)工件形狀來選定手指形狀。 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 量避開高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)墊片 (如橡皮抱沫塑料石棉襯墊等 )， 以防夾持 時(shí)損壞工件。 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。 (六 )應(yīng)考慮手指的多用性 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。 3.1手 部夾緊油缸的設(shè)計(jì) 手 部夾緊油缸的設(shè)計(jì) 手 部夾緊油缸的設(shè)計(jì) 手 部夾緊油缸的設(shè)計(jì)、手部驅(qū)動(dòng)力計(jì)算本課題液壓機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)如圖 3-1所示，北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1頁(yè)共43頁(yè)3-1齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)要求抓取重量為 50NV形手指的角度 2=120o， b=60mm ,R=17mm ， 摩擦系數(shù)為 f=0.1(1)根據(jù)手指夾持工件的方位 ，可得握力計(jì)算公式 :GsinN2f=50sin6020.1217N=o(2)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)示意圖 3-2，其驅(qū)動(dòng)力為 :P=理 2bR602171532N=北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第12頁(yè)共43頁(yè)(3)實(shí)際驅(qū)動(dòng)力 :12kP理實(shí) 際因 為 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 為 齒 輪 齒 條 傳 動(dòng) ， 故 取 0.9=， 并 取 1k1.5=。 若 被 抓 取 工 件的最大加速度取 a0.5g=時(shí)，則 :2k0.51g=+10.51.=+=所以 1.5P15320.9=實(shí) 際 380N所以?shī)A持工件時(shí)所需夾緊氣缸的驅(qū)動(dòng)力為 3830N。2、 手指夾緊工件時(shí)，彈簧變形所產(chǎn)生的彈簧力 使手指松開的復(fù)位彈簧其鋼絲直徑 d=3mm， 彈簧外徑 D=30mm， 彈簧的自由長(zhǎng)度 H=46mm，有效圈數(shù) 12，手指夾緊工件時(shí)彈簧的變形量 25m m=。3GdP8CZ=彈3-2齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)示意圖北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第13頁(yè)共43頁(yè)其中 2Dd303C= 9d=； Z=12； 102G8N/m=3GP8CZ彈 1033251081010912 =86N3、求夾緊缸的工作壓力 作用在夾緊缸活塞上的機(jī)械載荷 P為：PP=+彈 封實(shí)由于密封裝置的摩擦阻力較工作阻力 （ PP=+工 彈實(shí) ） 小 ， 又因密封處的工作壓力 p是待求值，故按照經(jīng)驗(yàn)取 工封 （ 0.5-1） ， 所以取P1.06P=+彈實(shí)（ ）.（ 3806）415N=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： 2PpD4=式中 D為夾緊缸直徑，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得知 D=40m，所以2PpD4=3241513.14=（ 4010）5233.0N/m北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第14頁(yè)共43頁(yè)四 、 手 腕 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 四 、 手 腕 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 四 、 手 腕 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 四 、 手 腕 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 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)氣缸。 4.1手腕的自由度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。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第15頁(yè)共43頁(yè)圖 4-1手腕運(yùn)動(dòng)示意圖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) ， 一般手腕沒有回轉(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)。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 x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)用最多的為回轉(zhuǎn)油 (氣 )缸，我們選用的是回轉(zhuǎn)油缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊 ，回轉(zhuǎn)角度為 0 200，手腕回轉(zhuǎn)速度 360/s，并且要求嚴(yán)格的密封。4.2手腕的驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算4.21手 腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手 腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手 腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩 手 腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩手腕的回轉(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 .圖 4-2所示為手腕受力的示意圖。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第16頁(yè)共43頁(yè)1.工件 2.手部 3.手腕圖 4-2手碗回轉(zhuǎn)時(shí)受力狀態(tài)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算 :封摩偏慣驅(qū) MMM+=式中 :驅(qū) -驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 (cmN)；慣M慣性力矩 (cmN)；偏 -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 (cmN).,封M-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 (cmN)；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 :1、手腕加速運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩慣M若手腕起動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng) ， 手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度為 ， 起動(dòng)過程所用的時(shí)間為 t，則 :).c(21 smNtJM+=）（慣式中 :J-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 ).(2scmN1J工件對(duì)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ).(2scmN。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第17頁(yè)共43頁(yè)若工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1J為 :gGJc11+=2e式中 :cJ-工件對(duì)過重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ).(2scmN；1G工件的重量 (N)；1e-工件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm),手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度 (弧度 /s)；t-起動(dòng)過程所需的時(shí)間 s)； 起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度 (弧度 )。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=偏M1eG+3e(cmN)式中 :3-手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重量 (N)；3e手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件的重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的偏心距 (cm)當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸線重合時(shí)，則 1eG0=。3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩封M=封M)(212dRdf BA+(cmN)式中 :1d， 2-轉(zhuǎn)動(dòng)軸的軸頸直徑 (cm)；f-摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承 01.0=f，對(duì)于滑動(dòng)軸承 1.0=f；AR,B處的支承反力 (N)，可按手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸的受力分析求解，根據(jù) 0=）（ FMA,得 :3lGlRB+lGl12+BR=lll 321同理，根據(jù)BM(F)0=,得 :北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第18頁(yè)共43頁(yè)l lGGlGRA )()()( 332211 +=式中 :2G-手部的重量 (N)321,ll 如圖 4-2所示的長(zhǎng)度尺寸 (cm).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 M封 ， 與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。 4.2.2回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算在機(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)氣缸 ， 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)針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的油從 b孔排出 。 反之 ， 輸出軸作順時(shí)針方向回轉(zhuǎn) 。 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 :2bpMDd8=（ -） ,或 )dD(M822=bp4.23手 腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 手 腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 手 腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核 手 腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核1.尺寸設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)油缸內(nèi)徑為1D=90mm,半徑 mR45=,軸徑 mD202=,半徑 mR13=,油缸運(yùn)行角速度 =s/360，加速度時(shí)間 t=0.1s，回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力為528010N/m， 動(dòng)片寬度為 50mm。則力矩： 2bpMDd8=（ -）5221080.5（ .09-.0）=385N.m2.尺寸校核 1測(cè)定參與手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的部件的質(zhì)量 kgm101=,分析部件的質(zhì)量分布情況，北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第19頁(yè)共43頁(yè)4-3回轉(zhuǎn)油缸簡(jiǎn)圖質(zhì)量密度等效分布在一個(gè)半徑 mr60=的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：221rmJ=206.0102=018.0=（2.mkg）工件的質(zhì)量為 5k,質(zhì)量分布于長(zhǎng) ml80=的棒料上，那么轉(zhuǎn)動(dòng)慣量).(0027.01208.0512222mkgmlJc=假如工件中心與轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合，對(duì)于長(zhǎng) ml80=的棒料來說，最大偏心距me401=，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 :).(0117.004.050027.2221mkgeJc=+則： 慣MtJ+=)(1北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第20頁(yè)共43頁(yè)).(9.1061.0360)0117.0018.0(mN=+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， 01=e，夾持工件一端時(shí)工件重心偏離轉(zhuǎn)動(dòng)軸線me403=,則偏M1eG+3e).(2 04.0105010mN=其中 1G為手腕回轉(zhuǎn)部件的重量， 3G為工件的重量3、手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸在軸頸處的摩擦阻力矩為摩M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) 。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 M封M22M=+封 封 1封 側(cè) 封 徑 1封 ： 輸出軸與缸蓋密封裝置處的摩擦阻力矩21dlp=封其中 20ldk=d-輸出軸與缸蓋密封處直徑；l密封的有效長(zhǎng)度（或密封寬度）；0d-“ O” 形密封圈的截面直徑；k“ ” 形圈在裝配時(shí)的壓縮率，對(duì)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， k=0.03-0.05；-摩擦系數(shù)P 回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力由設(shè)計(jì)得： d=20mm， 0d=3m， k=0.4， =0.1， p=528010N/m20l20.0320.040.04=北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第21頁(yè)共43頁(yè)0.0084=m則 ： 1M封 2 50.020.180102=4.N.m 封 側(cè) ：動(dòng)片側(cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩 21MlDdp8=封 側(cè) （ -）其中210ldk=20.0320.040.040.0084=mD 回轉(zhuǎn)油缸直徑d 回轉(zhuǎn)油缸與動(dòng)片連接處直徑由設(shè)計(jì)得： D=90m， d=20m則 M封 側(cè) 22510.008480100.18（ 0.09-0.02）6.5N.m= 封 徑 ：動(dòng)片外徑與油缸密封裝置處的摩擦阻力矩 1DMblp2=封 徑其中 b為動(dòng)片的寬度， b=50mm，1l， D， p和 同上述。封 徑 50.09=0.050.008480100.1215.Nm則： M24.26.51.=+封 36.5.Nm5、回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背壓反力矩 M回2bMDdp8=回 回（ -）其中 p回 為回油腔的油液壓力，在這里初步估算為 522010N/m則： M回 2250.058=（ 0.09-0.02）96.3.Nm則手腕回轉(zhuǎn)油缸所需的驅(qū)動(dòng)力矩 M驅(qū) 為：北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第22頁(yè)共43頁(yè)M+M+=驅(qū) 回慣 封 偏106.93.5296.324.7N.m=M1.m M=385N.m驅(qū)所以設(shè)計(jì)尺寸符合使用要求，安全。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第23頁(yè)共43頁(yè)五 、 手 臂 伸 縮 ， 升 降 ， 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 尺 寸 設(shè) 計(jì) 與 校 核 五 、 手 臂 伸 縮 ， 升 降 ， 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 尺 寸 設(shè) 計(jì) 與 校 核 五 、 手 臂 伸 縮 ， 升 降 ， 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 尺 寸 設(shè) 計(jì) 與 校 核 五 、 手 臂 伸 縮 ， 升 降 ， 回 轉(zhuǎn) 氣 缸 的 尺 寸 設(shè) 計(jì) 與 校 核 5.1手臂伸縮油缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.1手 臂伸縮油缸的尺寸設(shè)計(jì) 手 臂伸縮油缸的尺寸設(shè)計(jì) 手 臂伸縮油缸的尺寸設(shè)計(jì) 手 臂伸縮油缸的尺寸設(shè)計(jì)手臂伸縮油缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 l=500mm,油缸內(nèi)徑為 1D=40mm,半徑 R=20mm。5.12尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核、 設(shè)計(jì)油缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 l=500mm,油缸內(nèi)徑為1D=40mm,半徑 R=20mm,油缸運(yùn)行速度為 1=750m m /s，加速度時(shí)間 t=0.1s，進(jìn)油壓力為 52p=10N/m。當(dāng)壓力油輸入無桿腔 ， 使活塞以速度 1而運(yùn)動(dòng)是所需輸入油缸的流量 1Q為 ：211DQ4=式中： D 油缸（或活塞）直徑：1Q 輸入無桿腔的流量1 活塞的移動(dòng)速度則流量 1Q為： 210.47.5604=56.L/m in油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力1P即油缸的驅(qū)動(dòng)力為：21 1DPp4=式中： 1p 進(jìn)油壓力1P 油缸驅(qū)動(dòng)力 2510.04P104=1256N當(dāng)壓力油輸入有桿腔 ， 使活塞以速度 2而運(yùn)動(dòng)是所需輸入油缸的流量 2Q為 ：北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第24頁(yè)共43頁(yè)222DdQ4=（ ）式中： d 活塞桿直徑1Q 輸入無桿腔的流量2 活塞的移動(dòng)速度 ， 2=150m/s則流量2Q為： 2220.40.215604=（ ）8.L/m in油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力 2P即油缸的驅(qū)動(dòng)力為：222 1DdPp4=（ ）2250.040.02104=（ ）942N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)。2、計(jì)算作用在活塞上的總機(jī)械載荷 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=PP+驅(qū) 工 導(dǎo) 回封 慣 工作阻力 工 ： 工作阻力 工 的數(shù)值要根據(jù)油缸工作的具體情況確定有無 ，并進(jìn)行計(jì)算或估算。 在此為完成搬運(yùn)工件的伸縮油缸，故不受工作阻力，即 P工 為 0。 導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力 P導(dǎo) ： 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。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第25頁(yè)共43頁(yè)本 設(shè)計(jì)如圖 5-1所 示的是雙向桿導(dǎo)向，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)，并布置在過油缸活塞桿的平面內(nèi)。 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：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： 2L+aPG=導(dǎo) 總式中 G總 參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量（包括被抓物件重量）L 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 a 導(dǎo)向支承的長(zhǎng)度1 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1=（ 1.271.57） 摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無潤(rùn)滑時(shí)，鋼對(duì)鋼的取為 0.1估算 G總 為 80kg， L=50m， a=160m， 1=.4， =0.1則： 250100P80100.11.4160+導(dǎo) 182N= 密封裝置處的摩擦阻力 P封在壓力油驅(qū)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)，各密封裝置處摩擦阻力之和為 P封 ，即5-1手臂伸縮油缸受力簡(jiǎn)圖北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第26頁(yè)共43頁(yè)P(yáng)+P=封 封 1封 2封 3PP封 1封 2封 3、 、 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。 當(dāng)油缸的工作壓力不大于 5210010N/m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封 1封 2=0.3.1256=37.7N伸縮油管處的摩擦阻力 P封 3為： pdl=封 3式 中 密 封 圈 與 配 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)。 對(duì)于 O型橡膠密封圈，當(dāng)油液壓力52pN/m10010時(shí)， =0.0230.05。 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 0.04。P 密封處的工作壓力d 伸縮油管直徑l 密封的有效長(zhǎng)度密封的有效長(zhǎng)度 近似估算為：20ldk=k為壓縮率一般為 0.8.14，在這里取 k=0.12， 0d為 O型密封圈截面直徑則 ： l 220.1.=0.3.14m由設(shè)計(jì)得： d=0.006m，52P10N/m=pdl封 3 50.04103140.0060.0014=1.NP+P=封 封 1封 2封 3北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第27頁(yè)共43頁(yè)37.71.1=+38.N 慣性力 P慣機(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 ：GvPgt=總慣式中： G總 參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量（包括被抓物件重量）g 重力加速度v 速度變化量t 啟動(dòng)過程的時(shí)間由設(shè)計(jì)得 v0.75m /st0.1s=， ， G總 =80kg則： 80100.75P0.1慣 600N= 背壓阻力 P回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P0.05P=工回 計(jì)算。由于 0工 ， 故 P0=回 。所以： P=PP+驅(qū) 工 導(dǎo) 回封 慣 01823.860= 821N因?yàn)椋?P= 821NPN56驅(qū) ，故該油缸的尺寸符合使用要求。5.13導(dǎo) 向裝置 導(dǎo) 向裝置 導(dǎo) 向裝置 導(dǎo) 向裝置液壓驅(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)和抓取物體重量等因素來確定 ， 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來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。 5.14平 衡裝置 平 衡裝置 平 衡裝置 平 衡裝置在本設(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 ， 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)求北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第28頁(yè)共43頁(yè)使兩端盡量接近平衡。 5.2手臂升降油缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核5.21尺 寸設(shè)計(jì) 尺 寸設(shè)計(jì) 尺 寸設(shè)計(jì) 尺 寸設(shè)計(jì)油缸運(yùn)行長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為 l=100mm,油缸運(yùn)行速度為 250m m /s，加速度時(shí)間t=0.1s,油缸內(nèi)徑為 1D=80mm,半徑 R=40mm,進(jìn)油壓力為 52p=5010N/m， 做升降運(yùn)動(dòng)的總重量 G總 為 900N。5.2尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核驅(qū)動(dòng)力 P驅(qū) 為 ：=PP+驅(qū) 工 背 慣 摩 封由經(jīng)驗(yàn)公式可得： PG90N=工 總P0.5P0.59045N=工背 G90.25Pag1.1=總慣 P0.1G0.190N=總摩P0.60.69054=總封故： PP+驅(qū) 工 導(dǎo) 回封 慣=90452805413N作用在活塞上的推力 P：2D=p4253.140.08=50104北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第29頁(yè)共43頁(yè)25120N=因?yàn)?P=1304NP2510驅(qū) ， 所以伸縮油缸的尺寸符合要求。5.3手臂回轉(zhuǎn)油缸的尺寸設(shè)計(jì)與校核采用回轉(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。5-2手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)5.31尺 寸設(shè)計(jì) 尺 寸設(shè)計(jì) 尺 寸設(shè)計(jì) 尺 寸設(shè)計(jì)油缸內(nèi)徑為 mD1001=,半徑 R=50mm,軸徑 mD402=半徑 mR20=,油缸運(yùn)行角速度 s/90o，加速度時(shí)間 t=0.5s，進(jìn)油壓力 52p=5010N/m5.32尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核 尺 寸校核驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩 M驅(qū) ，應(yīng)該與手臂起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 M慣 及各密封裝置處的摩擦阻力矩 封 相平街。若軸承處摩擦力矩忽略不計(jì)，則可按下式計(jì)算： M=+驅(qū) 慣 封式中 封 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)北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第30頁(yè)共43頁(yè)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 b所示，因此，摩擦阻力矩可按下式計(jì)算： M=+封 封 1封 211FRbp封 2cp1cp2bR-r=封 2 （ ）其中：cp+rR2式中各尺寸符號(hào)如圖所示 ， 單位為厘米 ， 其 1b為密封圈與缸徑裝配后接觸面的有效寬度。 由設(shè)計(jì)估算 ： 15.0=， mb40=， mb61=， mB50=， m80=， mR50=，mr20=，52G100kgp=5010N/m， 3351M.561041010. 封 9.m= 3335 330120120.156101 (501201) += 封 9.NmM=+封 封 1封 2928.Nm=M慣 慣 性力矩，手臂在起動(dòng)過程的慣性力矩可按下式計(jì)算： 00=Jt慣式中 回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的角速度變化量，在起動(dòng)過程，其 =。t 起動(dòng)過程的時(shí)間，0J 手臂回轉(zhuǎn)部件 (包括工件 )對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。由于參與回轉(zhuǎn)的零件形狀尺寸和重量各不相同，所以計(jì)算 0J比較復(fù)雜 ， 為北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第31頁(yè)共43頁(yè)了簡(jiǎn)化 計(jì)算，可將形狀復(fù)雜的零件簡(jiǎn)化成幾個(gè)簡(jiǎn)單形體，分別計(jì)算，然后將各值相加 ，即是復(fù) 雜零件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 手臂回轉(zhuǎn)的零件重心與回轉(zhuǎn)軸線重合，其零件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 20JG=210000.0826.4.Nm=90/1.57/srads=o ， 0.1ts=， t=01.57M6.4.0.J Nm慣=+驅(qū) 慣 封2810128.Nm=手臂回轉(zhuǎn)力矩： 2bpMDd8=（ -） 5220.045010(0.10.04)8=210.Nm=因?yàn)椋?M8. 210.MNm=驅(qū)所以油缸的尺寸設(shè)計(jì)符合要求。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第32頁(yè)共43頁(yè)六 、 機(jī) 械 手 液 壓 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 六 、 機(jī) 械 手 液 壓 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 六 、 機(jī) 械 手 液 壓 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 六 、 機(jī) 械 手 液 壓 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 6.1油缸的密封有的液壓機(jī)械手由于油缸泄漏嚴(yán)重 ， 壓力不能提高 ， 工作性能不穩(wěn)定 ， 以致影響機(jī)械手的正常使用 。 因此 ， 為了保證機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作性能 ， 在各油缸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面和固定連接的表面進(jìn)行密封 ， 以防壓力油液從高壓油腔泄漏到低壓油腔，或泄漏到缸體外面。 目前機(jī)械手液壓系統(tǒng)使用的密封件 ， 大多采用耐油橡膠制成的各種形式的密封圈 。 作為動(dòng)密封 (即運(yùn)動(dòng)部分的密封 )或靜密封 (即靜止部分的密封 )， 以保證配合面的密封性。 密封圈在配合面間的密封作用 ， 主要是借安裝時(shí)的預(yù)壓力和在工作時(shí)由于油液壓力的作用，使密封圈產(chǎn)生變形并壓緊密封表面來達(dá)到的。 密封圈具有制造容易 ， 使用方便 ， 密封可靠 ， 并能在溫度變化范圍較大及各種油液壓力下可靠地工作 ， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊 ， 無需調(diào)整等一系列優(yōu)點(diǎn) ， 所以獲得廣泛 的 應(yīng) 用 。 在 液 壓 機(jī) 械 手 上 常 用 的 密 封 固 有 ： O形 (圓 形 )、 Y形 、 v形 和 矩 形 等幾 種 。 O形 、 Y形 、 v形 密 封 圈 均 已 標(biāo) 準(zhǔn) 化 ， 可 按 標(biāo) 準(zhǔn) 選 用 。 矩 形 密 封 圈 主 要 用于回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片與缸壁間的密封 ， 它是非標(biāo)準(zhǔn)的 ， 要根據(jù)具體使用條件進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造。 6.1活 塞式油缸的泄漏與密封 活 塞式油缸的泄漏與密封 活 塞式油缸的泄漏與密封 活 塞式油缸的泄漏與密封對(duì)于實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的活塞油缸來說 ， 其泄漏主要是活塞與缸壁處的內(nèi)泄漏及活塞桿與缸蓋處的外泄漏 引起泄漏的主要原因是加工精度和滑動(dòng)面光潔度不高，以及密封裝置不良所致。因此，根據(jù)油缸的工作壓力選擇密封可靠 、 磨損小、摩擦阻力小、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低廉的密封轉(zhuǎn)置是很重要的。對(duì)于活塞油缸的靜密封 ， 主要采用 O形密封圈 ， 其動(dòng)密封常采用 O形 、 v形 、y形等密封圈。 1、 O形密封圈形密封圈具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 密封性能良好 ， 摩擦力小 ， 裝置 O形圈的溝槽尺寸小并易于制造等優(yōu)點(diǎn) 。 它既可以用外徑或內(nèi)徑密封 ， 也可以用端面密封 。 O形圈的形狀和它在溝槽中的情況如圖 6 1所示 ， 圖 (b)中尺寸 為 形圈轉(zhuǎn)配后的預(yù)壓縮量，這樣可以保證間6-1O形密封圈及在溝槽中的情況北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第33頁(yè)共43頁(yè)6-2V形密封圈隙處密封嚴(yán)密 。 O形密封圈的預(yù)壓縮量的正確選擇很重要 。 用于靜密封時(shí) ， 預(yù)壓縮量 2為 0d（ 0.20.25） ； (0d為 O形圈的橡膠圓條的直徑 )， 用于往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封 時(shí) ， 預(yù) 壓 縮 量 2為 0（ 0.080.14） ； 用 于 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 密 封 時(shí) ， 預(yù) 壓 縮 量 2為0d（ 0.030.05） 。為了保證密封性能安裝 O形密封圈的溝槽尺寸和表面光潔度應(yīng)符合要求 ，可 查閱 “ 機(jī) 械沒計(jì)手冊(cè) ” 。 使用 形 圈密封的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的配合表面，一般是尺寸精度為 級(jí)，表面光潔度為 89，而溝槽內(nèi)部表面的光潔度為 6。O形密封圈制正溝槽中 ， 因受油壓作用而變形 并脹緊溝槽和間隙 ， 從而起到密封作用 ， 因此它的密封性能隨壓力的增加而提高 。 但是 當(dāng)壓力過高或溝槽尺寸選擇不當(dāng)時(shí)，密封圈很容易被擠出溝槽而造成劇烈磨損。為克服這個(gè)缺點(diǎn) ，當(dāng) 油 缸 油 液 壓 力 大 與 5210010N/m時(shí) ， 要 在 O形 密 封 圈 側(cè) 面 放 置 擋 圈 ， 在 壓 力低于 5210010N/m時(shí)，一般不加擋圈。 2 V形密封圈 V形密封圈由夾布橡膠制成 。 圖 6 2所示為 V形密封圈的形 狀 ， 通 常 由 三 個(gè) 環(huán) (支 承 環(huán) 1， 密 封 環(huán) 2 壓 壞 3)疊 在 一 起 成 組 使 用 。 當(dāng) 油 缸的 工 作 壓 力 小 于5210010N/m時(shí) ， 用 一 組 V形 圈 就 有 足 夠 的 密 封 性 。 當(dāng) 壓 力 提高時(shí)，可增加密封環(huán)數(shù)量，以加長(zhǎng)密封長(zhǎng)度。 V形密封圈一般用于活塞與缸體 、 活塞桿與缸蓋間的密封 。 安裝時(shí)要注意方向，使 壓力油腔的油液壓力能使兩唇邊張開，即支承環(huán)必需面對(duì)壓力油方向。 由干 v形密封圈撥觸面較長(zhǎng) 。 密封性好 ， 但摩擦力較大 ， 所以在 栘 動(dòng)速度不高的 油缸中應(yīng)用較多。 3、 Y形 密 封 圈 Y形 密 封 圈 的 形 狀 如 圖 6-3(a)所 示 ， 圖 中 尺 寸 d和 D是 Y北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第34頁(yè)共43頁(yè)形密封圈的公稱內(nèi)徑和公稱外徑 。 Y形密封圈在工作時(shí) ， 壓力油液把 Y形圈的唇邊緊緊壓在相對(duì)運(yùn)動(dòng)6-3Y形密封圈及其安裝情況的兩配合面上，并隨著油液壓力的增高而提高密封能力，并能補(bǔ)償磨損的影響 ，所以裝配時(shí)唇邊要面對(duì)壓力油腔。 形密封圈摩擦力較小，在運(yùn)動(dòng)速度較高 ， 工作壓力小于 5220010N/m的活塞油缸中常有應(yīng)用。在一般情況下 ， Y形圈可直接裝入溝槽內(nèi)即可起密封作用 ， 但在壓力變動(dòng)較大，滑動(dòng)速度較高的地方，要使用支承環(huán)以固定密封圈，如圖 6 3（ b）所示 。支承環(huán)的主要尺寸如圖 6 3(c)所示。對(duì)于活塞油缸 ， 除了采用上述密封圈進(jìn)行密封防止泄漏外 ， 還要求油缸和活塞桿的 軸 線 彎 曲 度 ， 在 500毫 米 長(zhǎng) 度 上 應(yīng) 不 大 于 0.03mm。 油 缸 安 裝 端 面 對(duì) 軸 線 或 活 塞安裝端面對(duì)活塞桿軸線的不垂直度在直徑 100mm上應(yīng)不大于 0.04mm。6.12回 轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封 回 轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封 回 轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封 回 轉(zhuǎn)油缸的泄漏與密封有的液壓機(jī)械手的手臂和手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用回轉(zhuǎn)油缸來實(shí)現(xiàn) 。 由于動(dòng)片和缸體、動(dòng)片和輸出軸、動(dòng)片端面和缸蓋之間的間隙不易保證，易引起較大的泄漏 ，使油液壓力降低 ， 減小了輸出扭矩 ， 達(dá)不到設(shè)計(jì)要求 ， 影響機(jī)械手的正常的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) ， 為減少泄漏 ， 除嚴(yán)格控制相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的配合間隙外 ， 主要的還是采用密封裝置進(jìn)行密封。 當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片與輸出軸 (或缸壁 )用螺釘聯(lián)接時(shí) ， 要對(duì)動(dòng)片的三個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面和一個(gè)固定聯(lián)接表面均進(jìn)行密封，即需要在矩形動(dòng)片的四周進(jìn)行密封 ， 這比圓周密封要困難的多 ， 沒有標(biāo)準(zhǔn)密封圈可供選用 ， 若進(jìn)行設(shè)計(jì)制造 ， 需有一個(gè)生產(chǎn)周期和相應(yīng)的設(shè)備。現(xiàn)將實(shí)踐中有關(guān)回轉(zhuǎn)油缸的密封經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)介幾例。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第35頁(yè)共43頁(yè)1 圓截面矩形密封圈密封 圖 6 4所示 ， 為某 “ 加工中心 ” 上的換刀機(jī)械手采用的6-4回轉(zhuǎn)油缸及其密封結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)油缸結(jié)構(gòu)圖 。 其密封裝置采用圓形截面的密封圈 ， 嵌在動(dòng)片的四周槽內(nèi)進(jìn)行密封 ， 它的外形是矩形的 ， 以保證缸體轉(zhuǎn)角處密封可靠 ， 裝入缸體后 ， 密封圈的預(yù)壓縮量 2約為 0.20.3m。 缸體與動(dòng)片的配合為 44/cdD， 光潔度為 7。 該回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力為 524010N/m， 傳遞扭矩在 200N.m以上，密封效果較好。2.帶 擋圈的矩形密封圈密封 由 于回轉(zhuǎn)油缸的輸出扭矩約為 100N.m左 右，矩形橡膠密封圈和牛皮擋圈組成的密封結(jié)構(gòu) 。 牛皮擋圈的作用是防止高壓油液將橡膠密封圈擠入配合間隙，以保證密封性并延長(zhǎng)密封圈的使用壽命。 此外回轉(zhuǎn)油缸動(dòng)片剛度不足也容易造成泄漏 ， 并且使輸出扭矩減小 。 動(dòng)片在受到壓力油液作用時(shí) ， 其受力情況相當(dāng)于一受均布載荷的懸臂梁 ， 頂端變形量最大 ， 而且扁平的動(dòng)片的抗彎剛度又差 ， 很易變形 ， 在使用中當(dāng)負(fù)荷增加時(shí) ， 動(dòng)片變 形，出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，甚至動(dòng)片卡住在缸壁上的現(xiàn)象 (當(dāng) 然，這一現(xiàn)象，還同油 缸各運(yùn)動(dòng)件的配合間隙、相對(duì)位置精度和缸壁的幾何形狀精度有關(guān) )。 為了提高動(dòng)片的剛度，可根據(jù)回轉(zhuǎn)油缸的擺動(dòng)角度大小，對(duì)動(dòng)片采用有加強(qiáng)貼的結(jié)構(gòu) 。另外 ， 如采用雙動(dòng)片回轉(zhuǎn)油缸 ， 固有兩個(gè)動(dòng)片同時(shí)承受油壓 ， 在與單動(dòng)片回轉(zhuǎn)油缸尺寸相同的條件下 ， 可用較低的油壓 ， 獲得較大的輸出扭矩 ， 這有利于減少動(dòng)北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第36頁(yè)共43頁(yè)片的變形和減少泄漏。但動(dòng)片的回轉(zhuǎn)角度要減少一半。 6.2油泵的選擇確定油泵的工作壓力 P泵 和流量 Q泵由于機(jī)械手的液壓系統(tǒng)在工作原理圖設(shè)計(jì)時(shí) ， 采用一個(gè)油泵向五個(gè)油缸 （ 手抓夾緊油缸、手腕回轉(zhuǎn)油缸、手臂伸縮油缸、手臂回轉(zhuǎn)油缸、手臂升降油缸 ） 供油 ， 但因機(jī)械手的動(dòng)作是依次進(jìn)行的 ， 無重疊動(dòng)作 ， 就上述五個(gè)油缸而言 ， 手臂升降油缸的負(fù)荷最大。因此，以手臂升降油缸來確定油泵的工作壓力和流量。 P=p+p1.5局泵 （ ） （ 0）從液壓系統(tǒng)原理圖知 ， 在壓力油路中局部壓力損失 p局 主要是通過換向閥的壓力損失，取 52p10Nm局 =2/， 因此，油泵工作壓力為 ：55P1010泵 =（ +） .1552N/m60流量 Q:2DQ4=其中 D為手臂升降油缸的內(nèi)徑， d=80mm； 為手臂升降速度， =250mm/s23.140.8Q2.5604=76L/m in取泄漏系數(shù) K=1.2，故油泵的流量 Q泵 為：Q7692L/m in=泵 =1.2根據(jù)和的數(shù)值 ， 結(jié)合產(chǎn)品規(guī)格 ， 選用 YB-B113B型葉片泵 ， 其額定工作壓力為 7Mp，額定流量為 115L/min，轉(zhuǎn)速為 1200r/min，驅(qū)動(dòng)功率為 16.5KW。6.3確定液壓系統(tǒng)油泵所需的電動(dòng)機(jī)功率 N0PQN612=泵 取葉片泵總效率 0.8=1帶動(dòng)油缸的油泵所需的電動(dòng)機(jī)功率 7092N13.KW61.8=臂北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第37頁(yè)共43頁(yè)根 據(jù) 電 動(dòng) 機(jī) 產(chǎn) 品 樣 本 ， 選 用 Y200L1-6型 三 相 異 步 電 動(dòng) 機(jī) ， 其 額 定 功 率 為18.5KW，滿載轉(zhuǎn)速為 970r/min。6.4控制調(diào)節(jié)閥的選擇6.41方 向閥 方 向閥 方 向閥 方 向閥根 據(jù) 通 過 閥 的 最 大 流 量 和 最 大 工 作 壓 力 ， 以 及 所 要 求 的 滑 閥 機(jī) 能 狀 況 等 因素 ， 結(jié)合現(xiàn)有的產(chǎn)品規(guī)格 ， 選擇其額定流量和額定壓力相近的產(chǎn)品 。 必要時(shí)最大流量允許超過額定流量 ， 但不宜過大 ， 一般規(guī)定閥的最大通過量不應(yīng)超過額定流量的 20%。6.42壓 力閥 壓 力閥 壓 力閥 壓 力閥如溢流閥 、 減壓閥 、 順序閥等 ， 根據(jù)通過閥的最大流量及最大工作壓力等因素來選擇 。 對(duì)于溢流閥的壓力和流量 ， 一般要與油泵的最高工作壓力和最大流量量 相 適 應(yīng) 。 對(duì) 于 減 壓 閥 的 壓 力 要 特 別 注 意 其 調(diào) 整 范 圍 ， 應(yīng) 在 5210N/m以 上 ，到低于溢流閥壓力 5210N/m以下的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。6.43流 量閥 流 量閥 流 量閥 流 量閥如 節(jié) 流 閥 、 調(diào) 速 閥 等 ， 根 據(jù) 閥 的 最 大 流 量 Q最 大 、 最 小 流 量 Q最 小 和 最 大 工 作壓 力 等 因 素 來 選 擇 。 一 般 流 經(jīng) 節(jié) 流 閥 或 調(diào) 速 閥 的 通 流 量 要 比 系 統(tǒng) 的 通 流 量 小 得多 ， 特 別 要 注 意 最 小 的 穩(wěn) 定 流 量 。 節(jié) 流 閥 或 調(diào) 速 閥 的 最 小 流 量 為0.2.03L/min。6.5輔助裝置的選擇液壓系統(tǒng)中有一些輔助裝置 ， 如油管 、 管接頭 、 濾油器 、 蓄能器 、 油箱和冷卻裝置等 。 雖然在液壓系統(tǒng)中輔助裝置居于次要的位置 ， 但是 ， 當(dāng)這些輔助裝置中任何一個(gè)細(xì)小的部分 ， 如果沒有給予足夠的重視和適當(dāng)?shù)陌才?， 往往回破壞液壓系統(tǒng)的正常工作或降低了系統(tǒng)的工作效率和壽命等 。 因此 ， 在安排液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，或選擇這些輔助元件時(shí)，都要做細(xì)致的工作。 6.51油 管和管接頭 油 管和管接頭 油 管和管接頭 油 管和管接頭油管 油管的類型 ， 可根據(jù)使用場(chǎng)合和液壓系統(tǒng)的最大工作壓力進(jìn)行選擇 ， 對(duì)于兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部件 。 一般可選用軟管或伸縮油管及回轉(zhuǎn)接頭頭進(jìn)行連接 。 油管有紫銅管 、 塑料管 、 尼龍管及橡膠軟管 。 根據(jù)油液壓力的大小 ， 裝配條件和工作部位的要求來選用。由于本設(shè)計(jì)的承壓較低，加之紫銅管彎曲方便，容易裝配 ， 所以設(shè)計(jì)時(shí)選用紫銅管。 2管接頭油管之間的連接或油管與各種液壓元件的連接 ， 是液壓系統(tǒng)配管工作中最大量的工作 。 對(duì)這些連桉的要求是工作可靠 、 密封良好 、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 安裝和制造方便。 在機(jī)械手上油管的連接方法應(yīng)用最多的是螺紋連接 。 螺紋連接的優(yōu)點(diǎn)是便于拆換 ， 安裝方便 。 管接頭和體部的連接常用的有 60圓錐螺紋 (Z)和普通細(xì)牙螺紋(M)。用普通細(xì)牙螺紋連接時(shí)應(yīng)采用密封墊圈，以保證連接的密封性。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第38頁(yè)共43頁(yè)6.52濾 油器 濾 油器 濾 油器 濾 油器 在機(jī)械手液壓系統(tǒng)中 ， 保持油的清潔很重要 ， 油中的臟物會(huì)引起運(yùn)動(dòng)零件劃傷 、 磨損甚至卡死 ， 堵塞節(jié)流閥和緩沖裝置的節(jié)流縫隙及小孔 ， 影響液壓機(jī)械手的工作性能并造成故障 。 因此需要對(duì)油液進(jìn)行過濾 ， 一般是采用濾油器來防止雜質(zhì)進(jìn)入液壓系統(tǒng)中。濾油器的主要類型有網(wǎng)式濾油器和金屬燒結(jié)式濾油器 。濾油器一般安置在油泵吸油口前邊 ， 以保護(hù)油泵 ， 并使通往系統(tǒng)的全部油液過濾 。如果系統(tǒng)中有精密液壓件 (如伺服閥等 )， 為保證其正常工作 ， 應(yīng)對(duì)油液進(jìn)行精過濾，可在精密液壓件前裝置精濾油器。 對(duì)于濾油器的要求有： 有較高的過濾能力 ， 能阻擋一定尺寸范圍的雜質(zhì) ， 而且對(duì)于油液的阻力很小。 過濾材料要有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不致因受到壓力油液而破壞。 清洗維護(hù)方便，易于更換過濾材料。6.53油 箱 油 箱 油 箱 油 箱油箱用來存油 ， 使油散熱和沉淀 。 其容量不能過小 ， 最小應(yīng)能儲(chǔ)存整個(gè)液壓系統(tǒng)充滿油時(shí)的容積，并有一些裕量。如果不能散發(fā)從液壓系統(tǒng)中帶出的熱量 ，就會(huì)使油升溫 ， 粘度降低 ， 影響系統(tǒng)的繼續(xù)工作 ， 使機(jī)械手液壓系統(tǒng)產(chǎn)生熱變形 ，降低了機(jī)械手的工作性能和定位精度。 在設(shè)汁油箱和油池時(shí)，除了考慮其有效容積及是否冷卻問題外，還應(yīng)注意 ：1 吸油口與回油口應(yīng)遠(yuǎn)離。吸油側(cè)和回油側(cè)要用隔板隔開，隔板高度為油箱 (或油池 )油面高度的 3 4，以利于油液冷卻和雜質(zhì)進(jìn)行沉淀2 為使油液流動(dòng)暢通吸油管離油箱 (或 油池 )底 部的距離應(yīng)不小于管徑的二倍 。 距箱邊應(yīng)不小于管徑的三倍 。 回油管的管門距油箱 (或油池 )的底面不小于管徑的二倍，管端切成角 45。6.54冷 卻器 冷 卻器 冷 卻器 冷 卻器當(dāng) 油 箱 的 散 熱 面 積 不 夠 或 油 池 的 散 熱 條 件 不 佳 時(shí) ， 靠 自 然 散 熱 油 溫 超 過50C時(shí)，就需要采用油冷卻器。油冷卻器在液壓系統(tǒng)中安裝的位置 ， 應(yīng)串連在回油路巾或住溢流閥的隘流管路中，因?yàn)檫@時(shí)的油液溫度較高，冷卻效果較好。 6.6液壓傳動(dòng)機(jī)械手的緩沖與定位6.1機(jī) 械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與定位精度 機(jī) 械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與定位精度 機(jī) 械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與定位精度 機(jī) 械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與定位精度所謂運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性是指機(jī)械手從起動(dòng) (速度為零 )到正常工作速度 (勻速運(yùn)動(dòng) )，再?gòu)恼９ぷ魉俣冉?jīng)制動(dòng)后到停止運(yùn)動(dòng) 速度降到零 的過程 ， 其速度變化是漸變過程，沒有速度突變現(xiàn)象。 所謂定位精度 ， 就是機(jī)械手重復(fù)地將物件搬運(yùn)到實(shí)際位置時(shí)與設(shè)定 (或給定 )位置所產(chǎn)生的誤差。也叫重復(fù)位置誤差。若重復(fù)位置誤差小即定位精度高。 影響機(jī)械手運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性扣定位精度的因素是很多的 。 如執(zhí)行機(jī)構(gòu)各部件的重量及其剛性、機(jī)械結(jié)構(gòu)的配合間隙驅(qū)動(dòng)源壓力的波動(dòng)及輸出流量的脈動(dòng)性 、 位置檢測(cè)系統(tǒng)的反饋機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生的誤差 ， 定位方式的誤差等等 ， 都直接或間接地影響機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性和定位精度 ， 而影響較大的還是機(jī)械手的工作速度和速度變化規(guī)律。在定位時(shí)一般采用機(jī)械擋塊定位。北京科技大學(xué)成人教育學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第39頁(yè)共43頁(yè)6.2油 缸的緩沖裝置 油 缸的緩沖裝置 油 缸的緩沖裝置 油 缸的緩沖裝置活塞油缸和回轉(zhuǎn)油缸是實(shí)現(xiàn)手臂直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力部件 ， 它們一般是用來帶動(dòng)重量較大的部件運(yùn)動(dòng)，有時(shí)運(yùn)動(dòng)速度較快，因此具有很大的動(dòng)能 。 為了防止活塞油缸的6-5活塞油缸端部緩沖原理圖活塞或回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片運(yùn)動(dòng)到頭時(shí)產(chǎn)生沖擊 ， 在油缸的端蓋或回轉(zhuǎn)油缸的側(cè)蓋上設(shè)有緩沖裝置。 1.活塞油缸的緩沖裝置 活塞油缸的緩沖裝置可以由活塞端部的柱塞和缸蓋的凹槽構(gòu)成 。 當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到使柱塞逐漸進(jìn)入缸蓋的凹槽時(shí) ， 將存在于緩沖油腔內(nèi)的油液經(jīng)柱塞與