液壓控制的翻轉(zhuǎn)機械手的設(shè)計摘要：在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，液壓控制的翻轉(zhuǎn)機械手被廣泛地運用于自動生產(chǎn)線中，機械手的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了液壓控制的翻轉(zhuǎn)機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)機械化與自動化的有機結(jié)合。本設(shè)計主要針對生產(chǎn)線上的自動化設(shè)計了一個四自由度的翻轉(zhuǎn)機械手，實現(xiàn)了生產(chǎn)的自動化。因此，在自動化機床的綜合加工線上，使用機械手可以減少人力的使用和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，同時提高生產(chǎn)的安全性。該機械手采用了液壓驅(qū)動，實現(xiàn)了夾緊、翻轉(zhuǎn)和展開等動作，該設(shè)計能夠提高勞動生產(chǎn)率，從而提高經(jīng)濟和社會效益。關(guān)鍵詞：翻轉(zhuǎn)；機械手；液壓驅(qū)動

TheDesignofTurningManipulatorBasedonHydraulicControlAbstract:Inmanufacturingprocessofmodernindustry，\o"點擊獲取釋義"flip\o"點擊獲取釋義"manipulator\o"點擊獲取釋義"hydraulic\o"點擊獲取釋義"controlis\o"點擊獲取釋義"widely\o"點擊獲取釋義"usedin\o"點擊獲取釋義"automatic\o"點擊獲取釋義"production\o"點擊獲取釋義"line,\o"點擊獲取釋義"development\o"點擊獲取釋義"and\o"點擊獲取釋義"productionof\o"點擊獲取釋義"manipulator\o"點擊獲取釋義"has\o"點擊獲取釋義"become\o"點擊獲取釋義"oneof\o"點擊獲取釋義"the\o"點擊獲取釋義"burgeoning\o"點擊獲取釋義"high-\o"點擊獲取釋義"tech\o"點擊獲取釋義"areasof\o"點擊獲取釋義"emerging\o"點擊獲取釋義"technologies,\o"點擊獲取釋義"which\o"點擊獲取釋義"promoted\o"點擊獲取釋義"the\o"點擊獲取釋義"developmentof\o"點擊獲取釋義"flip\o"點擊獲取釋義"manipulator\o"點擊獲取釋義"hydraulic\o"點擊獲取釋義"control,\o"點擊獲取釋義"allow\o"點擊獲取釋義"manipulatorsto\o"點擊獲取釋義"better\o"點擊獲取釋義"achieve\o"點擊獲取釋義"the\o"點擊獲取釋義"combinationof\o"點擊獲取釋義"mechanization\o"點擊獲取釋義"and\o"點擊獲取釋義"automation.\o"點擊獲取釋義"This\o"點擊獲取釋義"designis\o"點擊獲取釋義"intended\o"點擊獲取釋義"primarily\o"點擊獲取釋義"for\o"點擊獲取釋義"production\o"點擊獲取釋義"line\o"點擊獲取釋義"automationof\o"點擊獲取釋義"flip\o"點擊獲取釋義"designeda\o"點擊獲取釋義"four-\o"點擊獲取釋義"DOF\o"點擊獲取釋義"manipulator,\o"點擊獲取釋義"enabling\o"點擊獲取釋義"automationof\o"點擊獲取釋義"production.Therefore,onthetransferlineforprocessingintheintegratedautomationofmachinetool,usingthemanipulatorcanuselesshumanandmoreaccuratecontrolovertheproductionofbeat.\o"點擊獲取釋義"The\o"點擊獲取釋義"robot\o"點擊獲取釋義"usesa\o"點擊獲取釋義"hydraulic\o"點擊獲取釋義"drive,\o"點擊獲取釋義"implements\o"點擊獲取釋義"actions\o"點擊獲取釋義"suchas\o"點擊獲取釋義"clamp,\o"點擊獲取釋義"flip,\o"點擊獲取釋義"and\o"點擊獲取釋義"expand,\o"點擊獲取釋義"this\o"點擊獲取釋義"design\o"點擊獲取釋義"can\o"點擊獲取釋義"increase\o"點擊獲取釋義"the\o"點擊獲取釋義"productivity,Toenhancetheeconomicandsocialbenefits.Keywords:flipping;manipulator;hydraulicdrive

目錄TOC\o"1-3"\u摘要 1關(guān)鍵詞 11前言 22機器人的發(fā)展 32.1世界機器人的發(fā)展 32.2我國機器人的發(fā)展 43機械手的設(shè)計方案 43.1機械手的組成 43.2規(guī)格參數(shù) 53.3設(shè)計路線與方案 53.3.1設(shè)計步驟 53.3.2研究方法和措施 64整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 65機械手的設(shè)計 65.1主要技術(shù)參數(shù) 65.2手爪的設(shè)計 65.2.1概述 65.2.2設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題 75.2.3驅(qū)動力的計算 75.3腕部的結(jié)構(gòu) 95.3.1概述 95.3.2腕部的結(jié)構(gòu)形式 105.3.3手腕驅(qū)動力矩的計算 105.4臂部的結(jié)構(gòu) 135.4.1概述 135.4.2導(dǎo)向裝置 135.4.3平衡裝置 145.4.4臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算 145.5旋轉(zhuǎn)腰座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 145.5.1尺寸設(shè)計 155.5.2尺寸校核 155.5.3驅(qū)動力矩的計算 166軸承的設(shè)計 166.1軸承的選擇 166.2軸承的計算 166.3軸承的校核 177回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計 177.1回轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 177.2回轉(zhuǎn)軸的載荷計算 178液壓系統(tǒng)的設(shè)計 188.1液壓系統(tǒng)的組成 188.2機械手液壓系統(tǒng)的控制回路 198.2.1壓力控制回路 198.2.2速度控制回路 208.2.3方向控制回路 218.3機械手的液壓傳動系統(tǒng) 218.4液壓系統(tǒng)的計算 218.4.1雙作用單桿活塞油缸 218.4.2無桿活塞油缸 238.4.3單葉片回轉(zhuǎn)油缸 248.4.4油泵的選擇 258.4.5油泵電動機的選擇 268.4.6液壓閥的選擇 268.4.7油管的選擇 268.4.8油箱容積的選擇 278.4.9濾油器的選擇 279結(jié)論 27參考文獻 28致謝 291前言幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機械偶人。到了近代，機器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機器人問世之后，不同功能的機器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進入尋常百姓家。機器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機器特長的一種擬人的電子機械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機器可長時間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機器的進化過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。液壓控制的翻轉(zhuǎn)機械手是加工自動線上物料翻轉(zhuǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，翻轉(zhuǎn)機械手的設(shè)計具有現(xiàn)實的工程意義。液壓控制的翻轉(zhuǎn)機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，液壓控制的翻轉(zhuǎn)機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械手的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了液壓控制的翻轉(zhuǎn)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。液壓控制的翻轉(zhuǎn)機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，液壓控制的翻轉(zhuǎn)機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。在機械工業(yè)中，液壓控制的翻轉(zhuǎn)機械手的意義可以概括如下：a.以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度機械手有利于實現(xiàn)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的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。b.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、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，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的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。

c.可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)

機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，使用機械手可以減少人力的使用和更準確地控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行生產(chǎn)工作。2機器人的發(fā)展2.1世界機器人的發(fā)展國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：（1）.工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。（2）．機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。（3）．工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。（4）．機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。（5）．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。（6）．當(dāng)代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。(7)．機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。2.2我國機器人的發(fā)展有人認為，應(yīng)用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，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，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中[1]。3機械手的設(shè)計方案3.1機械手的組成工業(yè)機械手是由機座、執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)所組成，執(zhí)行機構(gòu)包括抓取部分（手部）、腕部和臂部等運動部件所組成。1.手部：直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型。傳動機構(gòu)形式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。2.腕部：是聯(lián)接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物體的方位。3.臂部：手臂是支撐被抓物體，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是帶動手指去抓取物件[2]，并按預(yù)定要求將其搬運到給定位置。驅(qū)動機構(gòu)：有氣動，液動，電動和機械式四種形式。機座：它是整個工業(yè)機械手的基礎(chǔ)。3.2規(guī)格參數(shù)工業(yè)機械手的規(guī)格參數(shù)是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標(biāo)，一般包括以下幾個方面：1.抓重（又稱臂力）：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為公斤；2.自由度數(shù)目和坐標(biāo)形式：整機，手臂和手腕等運動共有幾個自由度；3.定位方式：固定機械擋塊，可調(diào)機械擋塊，行程開關(guān)，電位器及其他各種位置設(shè)定和檢測裝置；4.驅(qū)動方式：氣動，液動，電動和機械式四種形式；5.手臂運動參數(shù)；6.手腕運動參數(shù)；7.手指夾持范圍和握力；8.定位精度：位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度；9.輪廓尺寸：長×寬×高（毫米）；10.重量：整機重量。3.3設(shè)計路線與方案3.3.1設(shè)計步驟1.查閱相關(guān)資料；2.確定研究技術(shù)路線與方案構(gòu)思；3.結(jié)構(gòu)和運動學(xué)分析；4.根據(jù)所給技術(shù)參數(shù)進行計算；5.按所給規(guī)格，范圍，性能進行分析，強度和運動學(xué)校核；6.繪制工作裝配圖草圖；7.繪制總圖及零件圖等；8.總結(jié)問題進行分析和解決[3]。3.3.2研究方法和措施使用現(xiàn)在機械設(shè)計方法和液壓傳動技術(shù)進行設(shè)計，采用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)（四個自由度，可以繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動和X軸移動）。4整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計分析由以上的分析，即機械手的動作是：夾緊→手腕回轉(zhuǎn)90度→手臂仰俯90→機座回轉(zhuǎn)90度→展開。其中，手抓的動作是夾緊和展開。為了實現(xiàn)這些動作，手抓采用一個液壓缸；手腕采用一個擺動馬達；臂部用一個擺動馬達，機座用一個擺動馬達。其中，手抓和手腕采用聯(lián)軸器聯(lián)接，手腕跟臂部用螺釘和螺母聯(lián)接。機械手采用液壓系統(tǒng)。液壓伺服系統(tǒng)響應(yīng)快，控制性好，在性能優(yōu)良的機械手上得到了廣泛的應(yīng)用。油泵采用CB—32外嚙合齒輪泵，溢流閥調(diào)整壓力為50公斤力/平方厘米，油箱內(nèi)的液壓油經(jīng)過油泵升高壓力，進入伺服閥的液壓油高度清潔[4]，壓力油經(jīng)過電液伺服閥進入相應(yīng)的液壓油缸，推動執(zhí)行部分動作。為了保證液壓系統(tǒng)可靠地工作，初次安裝時必須將各油缸和管道仔細清洗和沖洗，油箱要密封，加入的液壓要經(jīng)過過濾。在液壓系統(tǒng)中還裝有水冷卻器，以控制油溫不超過50℃。機械手的設(shè)計5.1主要技術(shù)參數(shù)根據(jù)工作環(huán)境和生產(chǎn)狀況，提出設(shè)計參數(shù)，主要技術(shù)參數(shù)：自由度數(shù)：N=4（2）抓取重量：P=mg=50×9.8=490N（3）手臂俯仰：β=±45°ωβ=10°/s（4）左右回轉(zhuǎn)：γ=90°ωγ=10°/s（5）手腕回轉(zhuǎn)：ε=90°ωε=10°/s（6）定位精度：±4mm（7）臂，腕運動：點位（電液伺服機構(gòu)）（8）驅(qū)動方式：液壓[5]5.2手爪的設(shè)計5.2.1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。在手爪的內(nèi)側(cè)沒有槽口，用螺釘將彈性材料裝在槽口中形成彈性機械手，彈性材料的一端用螺釘固定，另一端可以自由運動。當(dāng)手爪加緊零件時，彈性材料便發(fā)生變形并與零件外輪廓緊密接觸。夾緊力與彈性材料的強度有關(guān)，改變其彈性強度即可調(diào)節(jié)夾緊力。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[6]。5.2.2設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題=1\*GB3①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\*GB3②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)按最大直徑的工件來考慮手指的開閉角。=3\*GB3③應(yīng)保證工件的準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，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[7]。=4\*GB3④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\*GB3⑤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[8]。驅(qū)動力的計算如圖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△O1OC和△O2OC均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即1.手指2.銷軸3.拉桿4.指座1.Finger2.Pin3.Lever4Means圖1滑槽杠桿式手部受力分析Fig1Theforceanalysisofchuteleveragedhand∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0P=2P1cosα（1）即P1=P/2cosα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)[9]，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∑S×F=0得P1′h=Nb（2）因h=a/cosα所以P=2b(cosα)N/a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α=30°~40°。這里取角α=30度[10]。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：P實際=PK1K2/η式中η——手部的機械效率，一般取0.85~0.95；K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2K2——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，K2=1+a/g，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490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N=0.5G把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為N=245（N）由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式[11]P=2b(cosα)N/a得P=P計算=2×45(cos30°)×245/27=122.5(N)P實際=P計算K1K2/η（3）取η=0.85,K1=1.5,K2=1+1000/9810≈1.1則P實際=122.5×1.5×1.1/0.85=238(N)5.3腕部的結(jié)構(gòu)5.3.1概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計腕部時要注意以下幾點：結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好注意解決好腕部和手部、臂部的連接各個自由度的位置檢測、管線的布置腕部的潤滑、維修、調(diào)整要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。5.3.2腕部的結(jié)構(gòu)形式本機械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為±45°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，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、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)。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)液壓缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴格的密封。手腕是操作機的小臂(上臂)和末端執(zhí)行器(手爪)之間的連接部件。其功用是利用自身的活動度確定被末端執(zhí)行器夾持物體的空間姿態(tài)，也可以說是確定末端行器的姿態(tài)。故手腕也稱作機器人的姿態(tài)機構(gòu)。對一般商用機器人，末桿(即與末端執(zhí)行器相聯(lián)結(jié)的桿)都有獨立的自轉(zhuǎn)功能，若該桿再能在空間取任意方位，那么與之相聯(lián)的末端執(zhí)行器就可在空間去任意姿態(tài)，即達到完全靈活的境地[12]。如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)運動。5.3.3手腕驅(qū)動力矩的計算驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩和手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算：M驅(qū)=M慣+M偏+M摩（N.m）（4）式中M驅(qū)——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩圖2機械手的腕部結(jié)構(gòu)M慣——慣性力矩（N.m）M偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩（N.m）M摩——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩（N.m）=1\*GB2⑴摩擦阻力矩M摩M摩=f（N1D1+N2D2）/2（N.m）（5）式中f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.02，滑動軸承取f=0.1[13]；N1、N2——軸承支承反力（N）；D1、D2——軸承直徑（m）由設(shè)計知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020時M摩=0.1×（200×0.035+800×0.054）/2得M摩=2.50（N.m）圖3腕部回轉(zhuǎn)力矩計算圖=2\*GB2⑵工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏M偏=G1e（N.m）（6）式中G1——工件重量（N）e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，M偏為零當(dāng)e=0.020，G1=98N時M偏=1.96（N·m）=3\*GB2⑶腕部啟動時的慣性阻力矩M慣①當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時，可用下式計算M慣M慣=（J+J工件）（N·m）（7）式中——手腕回轉(zhuǎn)角速度（rad/s）t——手腕啟動過程中所用時間（s），（假定啟動過程中近為加速運動）J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）J工件——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）按已知計算得J=2.5，J工件=6.25，=0.3m/m,t=2故M慣=1.3（N·m）=2\*GB3②當(dāng)知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣：M慣=（J+J工件）（N·m）（8）式中——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）;——手腕回轉(zhuǎn)角速度（rad/s）?？紤]到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取M=1.1∽1.2（M慣+M偏+M摩）（N.m）M=1.2×（2.5+1.96+1.3）=6.9（N.m）5.4臂部的結(jié)構(gòu)5.4.1概述臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C械手的工作性能，所以必須根據(jù)機械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部時一般要注意下述要求：=1\*GB3①剛度要大為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。=2\*GB3②導(dǎo)向性要好為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。=3\*GB3③偏重力矩要小所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。=4\*GB3④運動要平穩(wěn)、定位精度要高由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。5.4.2導(dǎo)向裝置液壓驅(qū)動的機械手臂在進行翻轉(zhuǎn)運動時，為了防止手臂繞軸線轉(zhuǎn)動，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)計手臂結(jié)構(gòu)時，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)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。導(dǎo)向桿目前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)計中才用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。5.4.3平衡裝置在本設(shè)計中，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)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮液壓缸一側(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)抓取物體的重量和液壓缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。5.4.4臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算臂部翻轉(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)（9）式中Mm——各支承處的總摩擦力矩，可以忽略不計；Mg——啟動時慣性力矩，一般按下式計算：Mg=J(N·m)（10）式中J——手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）[14];——回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）;△t——回轉(zhuǎn)臂啟動時間（s）J=J水平臂部+J垂平臂部+J旋轉(zhuǎn)缸查表，由公式（9）、（10）得：J=J水平臂部+J垂平臂部+J旋轉(zhuǎn)缸===25.36=查第四卷表17-5-98選取YMD500擺動液壓缸5.5旋轉(zhuǎn)腰座的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計時要有足夠的剛度和穩(wěn)定性，運動要靈活，結(jié)構(gòu)布置要合理，便于裝卸。采用推力調(diào)心滾子軸承的腰座支撐結(jié)構(gòu)。由擺動液壓馬達輸出低速的回轉(zhuǎn)運動帶動與之相關(guān)聯(lián)的腰座回轉(zhuǎn)殼體實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運動。5.5.1尺寸設(shè)計液壓缸長度設(shè)計為,液壓缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,液壓缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強,則力矩：5.5.2尺寸校核測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(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半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：（）考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù),總驅(qū)動力矩：設(shè)計尺寸滿足使用要求[15]。5.5.3驅(qū)動力矩的計算查表，由公式（9）、（10）得：J=J水平臂部+J垂平臂部+J旋轉(zhuǎn)缸===42.84=查手冊第四卷表17-5-98選取YMD1000擺動液壓馬達軸承的設(shè)計6.1軸承的選擇軸承所受的載荷以軸向載荷為主，并且由于整體結(jié)構(gòu)的原因，可能會引起軸的中心線與軸承座中心線不重合而有角度誤差，因此考慮用推力調(diào)心滾子軸承，它允許軸圈對座圈軸線偏斜量—推力調(diào)心滾子軸承（290000型）6.2軸承的計算已知載荷轉(zhuǎn)速為，翻轉(zhuǎn)（11）取預(yù)期計算壽命（N）（12）對于滾子軸承，，則由公式（12）得（N）取溫度系數(shù)（軸承工作溫度），則載荷性質(zhì)為無沖擊或輕微沖擊，則可取載荷系數(shù)故實際的當(dāng)量動載荷P==1733.631.1=1906.99N6.3軸承的校核軸承的壽命計算公式如下：（13）式中：—軸承的額定壽命（h）P—當(dāng)量動負荷，P=2288.4Nε—壽命指數(shù)，對滾子軸承，ε=10/3C—額定動負荷（N）[16]其中P（N）（14）——壽命系數(shù)，查表2-3-2，得=4（滾子軸承，=50000h;——速度系數(shù)，查表2-3-3，得=1.27();——溫度系數(shù)，查表2-3-4，得=1（工作溫度）——負載系數(shù)，查表2-3-5，得=1.1（無沖擊或輕微沖擊）則由公式（14）所以由公式（13）故所選軸承滿足壽命要求?；剞D(zhuǎn)軸的設(shè)計7.1回轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計先初步估算軸的最小直徑，選取軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，取，則（15）輸出軸的最小直徑是安裝在聯(lián)軸器處軸的直徑（Ⅰ—Ⅱ）取50mm，右端制出一軸階，Ⅱ—Ⅲ段直徑為60mm，Ⅲ—Ⅳ段軸徑在軸承的計算里求出為80mm。7.2回轉(zhuǎn)軸的載荷計算首先根據(jù)軸的機構(gòu)圖作出軸的計算簡圖，確定軸承的支點位置，根據(jù)軸的計算簡圖作出軸的彎矩圖和扭矩圖。從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩圖和扭矩圖中可以看出Ⅲ—Ⅳ段是軸的危險截面，現(xiàn)將計算出的截面處的值列于下表。表1軸的受力分析載荷水平面垂直面支反力F彎矩M總彎矩扭矩TT=166845進行校核時，通常只校核軸上最大彎矩和扭矩的截面（即危險截面C）的強度，根據(jù)以上數(shù)值，并取α=0.6，軸的計算應(yīng)力（16）已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，查得=即故安全。圖4軸的載荷分析圖液壓系統(tǒng)的設(shè)計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。8.1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\*GB3①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\*GB3②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，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\*GB3③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。8.2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。8.2.1壓力控制回路=1\*GB3①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\*GB3②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的的卸荷回路。=3\*GB3③減壓回路為了使機械手的液壓系統(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\*GB3④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\*GB3⑤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)的油液和油泵隔斷，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。8.2.2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。8.2.3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。8.3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[17]。8.4液壓系統(tǒng)的計算計算的主要內(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）。8.4.1雙作用單桿活塞油缸=1\*GB3①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Q1為Q1=DV1（17）對于手臂伸縮油缸：Q1=0.98cm/s，對于手指夾緊油缸：Q1=1.02cm/s,對于手臂升降油缸：Q1=0.83cm/s雙作用單杠油缸的無桿腔內(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：P1=Dp1（18）對于手指夾緊油缸：p1=126N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：Q2=（D-d）V2（19）圖5雙作用單桿活塞桿油缸計算簡圖對于手指夾緊油缸：Q1=0.96cm/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：P2=（D-d）p1（20）=2\*GB3②確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸=1\*GB4㈠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（無桿腔）=P2（有桿腔）油缸（即活塞）的直徑可由下式計算=cm（無桿腔）對于手指夾緊油缸：D=30mm或cm（有桿腔）=2\*GB4㈡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：=cm（21）P計為計算壓力油缸材料的許用應(yīng)力。對于手指夾緊油缸：=17mm=3\*GB4㈢活塞桿的計算可按強度條件決定活塞直徑d?；钊麠U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（22）即d≧cm對于手指夾緊油缸：d=15mm8.4.2無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）圖6齒條活塞缸計算簡圖=1\*GB3①流量、驅(qū)動力的計算（23）當(dāng)D=103mm,d=40mm,=0.95rad/s時Q=952N=2\*GB3②油缸內(nèi)徑的計算根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機械載荷的平衡條件，求得cm即D=45mm圖7回轉(zhuǎn)油缸計算簡圖8.4.3單葉片回轉(zhuǎn)油缸在液壓機械手上實現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運動的另一種常用機構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，簡稱回轉(zhuǎn)油缸，其計算簡圖如下：=1\*GB3①流量、驅(qū)動力矩的計算當(dāng)壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動片以角速度運動時，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q為：（24）當(dāng)D=100mm,d=35mm,b=35mm,=0.95rad/s時Q=0.02m/s回轉(zhuǎn)油缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M：M=得M=0.8(N·m)=2\*GB3②作用在動片（即輸出軸）上的外載荷力矩MM=M工+M封+M慣+M回其中M工為工作阻力矩M封—密封裝置處的摩擦阻力矩M慣—參與回轉(zhuǎn)運動的零部件，在啟動時的慣性力矩M回—回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩M=2.3+0.85+1.22+1.08=5.45(N·m)=3\*GB3③回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計算回轉(zhuǎn)油缸的動片上受的合成液壓力矩與其上作用的外載荷力矩相平衡，可得：D=mm（25）D=30mm8.4.4油泵的選擇一般的機械手的液壓系統(tǒng)，大多采用定量油泵，油泵的選擇主要是根據(jù)系統(tǒng)所需要的油泵工作壓力p泵和最大流量Q泵來確定。=1\*GB2⑴確定油泵的工作壓力p泵p泵p+△p（26）式中p——油缸的最大工作油壓△p——壓力油路（進油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失。它的準確計算要根據(jù)待定元件選定，并繪出管路圖才能進行，取△p=（0.5-1.5）MPa，本系統(tǒng)因為管路不是很復(fù)雜，但在進油口和出油口接有調(diào)速閥所以取△p=1.0MPa即p泵p+△p=2.33+1.0=3.33MPa=2\*GB2⑵確定油泵的Q泵油泵的流量，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)各個回路按設(shè)計的要求，在工作時實際所需的最大流量Q最大，并考慮系統(tǒng)的總泄漏來確定,對于在工作過程中有用節(jié)流調(diào)速閥的系統(tǒng)，還必須加上溢流閥的最小壓力，即3L/min，故Q最大=36.5+3=39.5Q泵=KQ最大其中K一般取1.10—1.25Q泵=1.2x39.5=47.52L/min根據(jù)流量和壓力，可選取CB—32外嚙合齒輪泵。此泵的參數(shù)為：Q=60L/minP=10MPa轉(zhuǎn)速為1500—2000轉(zhuǎn)/分8.4.5油泵電動機的選擇油泵的最大工作壓力為P=2.33MPa壓力損失為ΔP=0.5MPa所以有：P=2.33+0.5=2.83MPa取外嚙合齒輪泵的總效率η=0.8則（27）以現(xiàn)有功率查手冊，確定選用防護式籠型感應(yīng)電動機Y(IP34)J2，功率為7.5kw。8.4.6液壓閥的選擇閥的規(guī)格，根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力和實際通過該閥的流量，選擇有定型產(chǎn)品的閥件，溢流閥按液壓泵的最大流量選取，選擇調(diào)速閥時，要考慮最小穩(wěn)定流量應(yīng)滿足執(zhí)行機構(gòu)最低穩(wěn)定速度的要求。控制閥的流量一般要選的比實際流量大些，必要時也允許有20%以內(nèi)的短時間過流量。主要根據(jù)閥的工作壓力和流量來確定，本系統(tǒng)工作壓力較小，但流量中等，所以要選低壓中等流量閥。8.4.7油管的選擇油管的規(guī)格按元件接口處尺寸決定，液壓缸進出油管則按輸入、排出的最大流量計算，根據(jù)內(nèi)徑公式（28）油管中的流速取5m/min，由公式（28）得:無桿腔：有桿腔：按JB327—66可得，選用內(nèi)徑15mm，外徑22mm的無縫鋼管。擺動缸回路油管計算，由公式（28）得:查機械手冊按JB327—66可得，選用內(nèi)徑15mm，外徑22mm的無縫鋼管。8.4.8油箱容積的選擇確定油箱容積的公式：（29）泵的流量=47.52L/min取α=4，則由公式（29）得按GB2876—81規(guī)定，取標(biāo)準值V=250L8.4.9濾油器的選擇在考慮選擇濾油器的時候，應(yīng)該從以下幾個方面進行考慮：(1)具有足夠大的容油能力，壓力損失?。?2)過濾精度應(yīng)滿足設(shè)計要求；(3)慮芯有足夠的強度；(4)慮芯的抗腐蝕性好，能在規(guī)定的溫度下長期穩(wěn)定工作；(5)慮芯的更換、清洗和維護方便。綜合以上原則，本系統(tǒng)采用網(wǎng)式濾油器，網(wǎng)上濾油器一般屬于粗濾油器，一般安裝在液壓泵的吸油油路上，以此保護油泵。網(wǎng)式濾油器具有機構(gòu)簡單，通油能力大，阻力小，易清洗等優(yōu)點?？紤]濾油器通油能力的時候，一般應(yīng)大于2倍實際流量，因此本系統(tǒng)中采用的濾油器型號為—WU-100x180.9結(jié)論此次我做的畢業(yè)設(shè)計是機械手的設(shè)計，通過一個多月努力，設(shè)計終于完成，感覺很充實。這次設(shè)計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設(shè)計工作的基本流程和設(shè)計的方法以及理念。在此次的畢業(yè)設(shè)計中，我遇到了許多以前從未遇到過的問題，但過通過周教師的指導(dǎo)和我的努力，這些問題都得到了較好的解決。雖然我們設(shè)計的只是個簡單的機械手，但需要完成伸縮、升降、回轉(zhuǎn)等功能，對應(yīng)分別要對這些機構(gòu)進行設(shè)計和計算，以及對油路及其部件的選擇、控制回路的設(shè)計。通過這些機設(shè)計，使理論知識與實際相結(jié)合，鞏固和深化了所學(xué)過的專業(yè)理論知識。在設(shè)計的過程中我不斷探索、不斷學(xué)習(xí)和修改。自學(xué)了許多相關(guān)學(xué)科的內(nèi)容，求教了多位專業(yè)老師，上網(wǎng)和在圖書館查閱大量相關(guān)資料。由于時間倉促，對于本次機械手的設(shè)計還存在許多不足，許多地方都還有待改進和提高，希望各位專家評審多多批評指教。參考文獻[1]劉延俊.液壓與氣壓傳動.機械工業(yè)出版社，2002：59-108.[2]孫志禮.機械設(shè)計[M].東北大學(xué)出版社，2003：36-104.[3]徐灝.機械設(shè)計手冊[M]第5卷.機械工業(yè)出版社，1992：12-158.[4]吳宗澤.機械設(shè)計師手冊[M].機械工業(yè)出版社，2002：55-188.[5]成大先.機械設(shè)計圖冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2002：39-178.[6]羅洪量.機械原理課程設(shè)計指導(dǎo)書[M]第二版.高等教育出版社，1986：49-208.[7]JJ.杰克（美.機械與機構(gòu)的設(shè)計原理[M]（第一版.機械工業(yè)出版社，1985：59-198.[8]王玉新.機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法學(xué)[M]第一版.天津大學(xué)出版社，1996：50-88.[9]張建民.工業(yè)機器人[B][M].北京理工大學(xué)出版社，1992：50-138.[10]馬香峰.機器人結(jié)構(gòu)學(xué)[B][M].機械工業(yè)出版社，1991：57-101.[11][俄]IO.M.索羅門采夫.工業(yè)機器人圖冊[B][M].機械工業(yè)出版社，1993：19-158.[12]黃繼昌.實用機械機構(gòu)圖冊[B][M].人民郵電出版社，1996：8-138.[13]大連理工大學(xué)工程畫教研室.機械制圖[M].高等教育出版社，2003：19-178.[14]TheNumerialControlEngineBedTrasforms，1970.[15]W.P.Wang.Solidmodelingforoptimizingmetalremovalofthree-dimensionalNCendmilling,J.Manuf.Syst，1988.[16]喬東凱

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