編號：本科畢業(yè)設(shè)計工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計題目學(xué)院專業(yè)年級姓名指導(dǎo)教師完成日期工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計中文摘要機(jī)械手是工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用滾珠絲桿、滑桿、等機(jī)械器件組成；電氣方面有交流電機(jī)、變頻器、傳感器、等電子器件組成。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機(jī)電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的是機(jī)械手的工作過程，機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計，以及由PLC輸出三路脈沖,分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制機(jī)械手橫軸和豎軸的精確定位，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手精確運(yùn)動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運(yùn)機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運(yùn)動流程的要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；單片機(jī)；液壓缸；設(shè)計；AbstractAbstractManipulatorindustrialrobotsystemstraditionalmandate,Robotisoneofthekeycomponents.Manipulatorusingthemechanicalstructureofscrew-ball,slider,andothermechanicaldevicescomposition;ElectrichaveACmotor,inverter,sensor,andotherelectronicdevicecomponents.Thedevicecoversaprogrammablecontroltechnology,positioncontroltechnology,detectiontechnology,Mechatronicsisatypicalrepresentativeofoneofthemachines.Isarobotthatisdescribedinthisarticlework,designofrobotcrawlingmechanism,aswellasbythePLCoutputsthreepulses,horizontalaxis,verticalaxisinverterdriven,respectively,controlthemanipulatorofthehorizontalaxisandtheverticalaxisprecisepositioning,enablingprecisemovementofmanipulatorfunction.Thisprojectintendstodevelopmaterialhandlingrobottograbobjectsinspace,flexible,canreplacehumanoperationareaofhightemperaturesanddangerousjob,andaccordingtotheworkpiecechangesandmovementprocessesofchangeatanytimeattherequestoftherelevantparameters.KeyWords:Manipulator；PLC；hydro-cylinder；devise；TOC\o"1-5"\h\z中文摘要 I英文摘要 II目 錄 III\o"CurrentDocument"引 言 1\o"CurrentDocument"第一章.工業(yè)機(jī)械手的概述 21.1機(jī)械手的發(fā)展及現(xiàn)狀 21.2課題研究的意義 3\o"CurrentDocument"第二章.工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計 42.1設(shè)計的目地 42.2設(shè)計的內(nèi)容 42.3機(jī)械手的工作過程 42.4抓取機(jī)構(gòu)的設(shè)計 62.4.1機(jī)械手手部的設(shè)計計算 62.4.2機(jī)械手腕部的設(shè)計計算 102.4.3機(jī)械手臂部設(shè)計計算 152.4.4機(jī)械手手臂升降機(jī)構(gòu)設(shè)計 192.4.5機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計 22第三章.小結(jié)與展望 26參考文獻(xiàn) 27致 謝 28引言在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動化已成為突出的主題。隨著工業(yè)現(xiàn)代化的進(jìn)一步發(fā)展,自動化已經(jīng)成為現(xiàn)代企業(yè)中的重要支柱,無人車間、無人生產(chǎn)流水線等等，已經(jīng)隨處可見。同時，現(xiàn)代生產(chǎn)中，存在著各種各樣的生產(chǎn)環(huán)境，如高溫、放射性、有毒氣體、有害氣體場合以及水下作業(yè)等，這些惡劣的生產(chǎn)環(huán)境不利于人工進(jìn)行操作。工業(yè)機(jī)械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新的技術(shù)，是現(xiàn)代控制理論與工業(yè)生產(chǎn)自動化實(shí)踐相結(jié)合的產(chǎn)物，并以成為現(xiàn)代機(jī)械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分。工業(yè)機(jī)械手是提高生產(chǎn)過程自動化、改善勞動條件、提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率的有效手段之一。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(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。本課題擬開發(fā)物料搬運(yùn)機(jī)械手，對機(jī)械手的上下、左右以及抓取運(yùn)動進(jìn)行控制。該裝置機(jī)械部分有滾珠絲杠、滑軌、機(jī)械抓手等；電氣方面由交流電機(jī)、變頻器、操作臺等部件組成。我們利用可編程技術(shù)，結(jié)合相應(yīng)的硬件裝置，控制機(jī)械手完成各種動作。由于時間倉促和個人水平限制，我的設(shè)計存在著許多還沒來得及解決的問題，希望廣大老師、同學(xué)能夠給予批評指正并予以解決。第一章工業(yè)機(jī)械手的概述1.1機(jī)械手的發(fā)展及現(xiàn)狀機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。⑷（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機(jī)構(gòu)如圖1.1所示。手部：是機(jī)械手與工件接觸的部件。由于與物體接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式。由手指和傳力機(jī)構(gòu)所構(gòu)成，手指與工件接觸而傳力機(jī)構(gòu)則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務(wù)。手腕：是聯(lián)接手部和手臂的部件，起調(diào)整或改變工件方位的作用。手臂：支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。立柱：是支承手臂的部件。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動和升降運(yùn)動均與立柱有密切的聯(lián)系。機(jī)械手的立柱通常為固定不動的。機(jī)座：是機(jī)械手的基礎(chǔ)部分。機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)的各部件和驅(qū)動系統(tǒng)均安裝于機(jī)座上，故起支承和聯(lián)接的作用。（2） 驅(qū)動系統(tǒng)：機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行運(yùn)動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機(jī)械傳動等四種形式。（3） 控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是機(jī)械手的指揮系統(tǒng)，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)按規(guī)定的要求進(jìn)行工作，并檢測其正確與否。一般常見的為電器與電子回路控制，計算機(jī)控制系統(tǒng)也不斷增多。工業(yè)機(jī)械手（以下簡稱機(jī)械手）是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，已成為現(xiàn)代制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要的組成部分。機(jī)械手的迅速發(fā)展是由于它具有積極作用正日益為人們所認(rèn)識：其一，它能部分地代替人工操作；其二，它能照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工件的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。因此，它能大大地改善工人的勞動條件，顯著地提高勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。因而，機(jī)械手受到各先進(jìn)工業(yè)國家的重視，并投入了大量的人力物力加以研究和應(yīng)用，尤其在高溫、高壓、粉塵、噪聲以及帶有放射性和污染的場合，應(yīng)用得更為廣泛。該技術(shù)在我國近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的成果，受到各工業(yè)企業(yè)的重視。但目前使用的機(jī)械手的電氣控制系統(tǒng)一般采用繼電器和開關(guān)元件組成的控制系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的邏輯控制和較多功能控制方式的選擇，因而現(xiàn)場使用功能和控制方式單一，不能進(jìn)行在線管理。工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的機(jī)械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結(jié)構(gòu)型式亦各不相同，技術(shù)復(fù)雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂、手腕和手的部分動作及功能；一般都能按預(yù)定程序，自動地、重復(fù)循環(huán)地進(jìn)行工作。1.2課題研究的意義機(jī)械手具有以下幾方面的性能：（1） 能準(zhǔn)確的抓住方位變化的物體。（2） 能判斷對象的重量。（3）能自動避開障礙物。這種具有感知能力并能對感知的信息做出反應(yīng)的工業(yè)機(jī)械手稱為智能機(jī)械手，它是有發(fā)展前途的。目前，工業(yè)機(jī)械手廣泛應(yīng)用于各種制造行業(yè)中，如電器制造行業(yè)、汽車制造行業(yè)、塑料加工行業(yè)、通用機(jī)械制造行業(yè)以及金屬加工行業(yè)等，都使用了工業(yè)機(jī)械手。隨著社會生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)機(jī)械手的功能和性能將進(jìn)一步得到改善和提高，因此，工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V。第二章工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計2.1設(shè)計目的畢業(yè)設(shè)計是大學(xué)生在完成基礎(chǔ)課和專業(yè)課等學(xué)習(xí)之后進(jìn)行的綜合性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，總的目的是在老師的指導(dǎo)下，使學(xué)生通過課程設(shè)計，對所學(xué)的理論知識進(jìn)行一次系統(tǒng)的回顧檢查復(fù)習(xí)和提高，并運(yùn)用所學(xué)的理論知識，通過調(diào)研，設(shè)計一個機(jī)電控制方面的課題，收到從理論到實(shí)踐應(yīng)用的綜合訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立運(yùn)用所學(xué)理論解決具體問題的能力，具體有以下幾點(diǎn)：（1）通過檢索查閱運(yùn)用有關(guān)手冊、標(biāo)準(zhǔn)及參考資料，培養(yǎng)起學(xué)生檢索查閱資料、實(shí)用資料的方法和能力。（2）通過查閱課程理論知識，運(yùn)用所學(xué)的基礎(chǔ)課，專業(yè)技術(shù)課和專業(yè)課知識，培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)實(shí)際問題正確設(shè)計總體方案，分析具體問題，進(jìn)行工程設(shè)計能力。2.2設(shè)計的內(nèi)容和要求設(shè)計通用圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手及控制系統(tǒng)。設(shè)計中的機(jī)械手各動作由液壓缸驅(qū)動，并有電磁閥控制，技術(shù)指標(biāo)如下：表2.1機(jī)械手的技術(shù)指標(biāo)1動作符號行程范圍速度伸縮X400mm小于250mm/s升降Z400mm小于70mm/s回轉(zhuǎn)①0-210°小于90°/s表2.2機(jī)械手的技術(shù)指標(biāo)2抓重自由度定位精度控制方式200N-300N四個±3mmPLC手腕運(yùn)動參數(shù)：回轉(zhuǎn)?行程范圍0—180° 速度小于90°/s手指夾持范圍：棒料半徑40—70mm,棒料長度450—1200mm,重量30kg2.3機(jī)械手的工作過程機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和各部分動作示意圖,如圖2.1所示。機(jī)械手的工作均由電機(jī)驅(qū)動,它的上升、下降、左移、右移都是有電機(jī)驅(qū)動螺紋絲桿旋轉(zhuǎn)來完成的。分析工作過程。機(jī)械手的初始位置停在原點(diǎn),按下啟動后按扭后,機(jī)械手將下降——加緊工件——上升——右移——再下降——放松工件——在上升——左移八個作,完成一個工作周期。機(jī)械手的下降、上升、右移、左移等動作轉(zhuǎn)換,是由相應(yīng)的限位開關(guān)來控制的,而加緊、放松動作的轉(zhuǎn)換是有時間來控制的。為了確保安全，機(jī)械手右移到位后，必須在右工作臺上無工件時才能下降,若上次搬到右工作臺上的工件尚未移走，機(jī)械手應(yīng)自動暫停，等待。為此設(shè)置了一個光電開關(guān)，以檢測“無工件”信號圖2.1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)和各部分動作示意圖1-伸縮液壓缸2-夾持器液壓缸3-機(jī)械手手部4-大梁5-電機(jī)控制方面的要求：為了滿足生產(chǎn)要求，機(jī)械手設(shè)置了手動工作方式和自動工作方式,而自動工作方式又分為單步、單周期和連續(xù)工作方式。手動工作方式：利用按鈕對機(jī)械手每一步動作進(jìn)行控制。例如，按下“下降”按鈕，機(jī)械手下降；按下“上升”按鈕，機(jī)械手上升。手動操作可用于調(diào)整工作位置和緊急停車后機(jī)械手返回原點(diǎn)。單步工作方式：從原點(diǎn)開始，按照自動工作循環(huán)的步序，每按一次啟動按鈕,機(jī)械手完成一步動作后自動停止。單周期工作方式：按下啟動按鈕，機(jī)械手按工序自動自動完成一個周期的動作，返回原點(diǎn)后停止。連續(xù)工作方式：按下按鈕，機(jī)械手從原點(diǎn)，按步序自動反復(fù)連續(xù)工作，在連續(xù)工作方式下設(shè)置兩種停車狀態(tài)：正常停車：在正常工作狀態(tài)下停車。按下復(fù)位按鈕，機(jī)械手在完成最后一個周期的工作后，返回原點(diǎn)自動停機(jī)。緊急停車：在發(fā)生事故或緊急狀態(tài)時停車。按下緊急停車按鈕，機(jī)械手停止在當(dāng)前狀態(tài)。當(dāng)故障排除后，需手動回到原點(diǎn)。2.4抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計2.4.1手部設(shè)計計算2.4.1.1、對手部設(shè)計的要求有適當(dāng)?shù)膴A緊力手部在工作時，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞棒料的已加工表面。對于剛性很差的棒料夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于本應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。有足夠的開閉范圍本機(jī)械手手部的手指有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖2.2所示：力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小手部處于腕部的最前端，工作時運(yùn)動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動速度等性能。因此，在設(shè)計手部時,必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度其它要求對于夾緊機(jī)械手，根據(jù)工件的形狀為圓形棒料，因此最常采用的是外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。2.4.1.2手部力學(xué)分析通過綜合考慮，本設(shè)計選擇二指雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓，采用滑槽杠桿式，夾緊

裝置采用常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下手抓閉合，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而手抓張開。下面對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析：在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F,并通過銷軸中心O點(diǎn)，兩手指的滑槽對銷軸的反作用力為F和F其力的方向垂直于滑槽的中心線OO和OO12，12并指向O點(diǎn)，交F和F的延長線于A和B。⑹12cos,由€M(F)=0又因?yàn)閔又因?yàn)閔二所以F= Fa一手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心線的距離（mm）,一工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角由分析可知，當(dāng)驅(qū)動力F一定時，,角增大，則握力F也隨之增大，但,角過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好,=30…?40。。圖2.3滑槽杠桿式手部結(jié)構(gòu)原理圖手指 2手指 2——銷軸 3——杠桿手指2.4.1.3夾緊力與驅(qū)動力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向與作用點(diǎn)進(jìn)行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化所產(chǎn)生動的載荷，以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。手指對工件的夾緊力可按下式計算：⑺F>KKKG式中K—安全系數(shù)，通常1.2~2.0；

K2—工乍情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按于1€冷，其中a是重力方向的最大上升加速度，a=匕*,g是重力加速度，g二9.8m/s2。t響V__運(yùn)載時工件最大上升速度；maxt—系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般選取0.03~0.5；響K—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進(jìn)行選擇；3G—被抓取工件所受重力；表2.3驅(qū)動力與液壓缸工作壓力關(guān)系圖[1]作用在活塞上外力F(N)液壓缸工作壓力MPa作用在活塞上外力F(N)液壓缸工作壓力MPa〈50000.8?120000?300002.0?4.05000?100001.5?2.030000?500004.0?5.010000?200002.5?3.0>500005.0?8.0設(shè)a=40mm,b=80mm,a=30。，機(jī)械手達(dá)到最高響應(yīng)時間為0.5s,求夾緊力F,驅(qū)動力F和驅(qū)動液壓缸的尺寸。1)設(shè)K二1.61K二1€-21)設(shè)K二1.61K二1€-2g設(shè)V =70mm/smaxt=0.5s響因此Va=—max=007=0.14m/s20.5所以K二1€014二1.01432 9.8K=0.5K=0.53根據(jù)以上公式得：二1.6?1.0143?0.5?300二243.4N2)根據(jù)驅(qū)動力公式得：2bcos2bcos2aF= F計算aN2?80?cos23040?243.4=730.2N由于實(shí)際所采取的液壓缸驅(qū)動力要大于計算，考慮手爪的機(jī)械效率…,一般取…=0.85?0.9。取…=0.85F 730.2F =-計算=一二=859.06N 即F=859.06N實(shí)際… 0.85 驅(qū)確定液壓缸的直徑D 因?yàn)镕 =兀(°2—d2)卩選取活塞桿直徑d€0.5D，選擇液壓缸工作壓力P€0.8?1MPa。4F : 4,859.06所以D€ 實(shí)際€ €0.0427m兀P(l—0.52) 3.14,0.8,106,(1-0.52)根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列(JB826-66),選取液壓缸的內(nèi)徑為：D=50mm則活塞桿直徑為：d€0.5D€0.5,50€25mm.所以手部夾緊液壓缸的主要參數(shù)為：表2.4手部夾緊液壓缸的主要參數(shù)液壓缸內(nèi)徑D活塞桿直徑d工作壓力p驅(qū)動力F50mm25mm0.8MPa859.06N2.4.1.4手抓夾持范圍計算為了保證手抓張開角為120?,設(shè)手抓長為100mm,當(dāng)手抓沒有張開角的時

候,根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計，它的最小夾持半徑R€40mm，當(dāng)張開角為120?時,根據(jù)雙

min支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型手抓的誤差分析，取最大夾持半徑R€60mm。max所以機(jī)械手的夾持半徑為10?60mm。2.4.1.5手抓夾持精度的分析計算機(jī)械手的精度設(shè)計要求工件定位準(zhǔn)確，抓取精度高，重復(fù)定位精度和運(yùn)動穩(wěn)定性好，并有足夠的抓取能力。機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度(由臂部和腕部等運(yùn)動部件來決定)，而且也與機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)，特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)的變化，一定要進(jìn)行機(jī)械手的夾持誤差分析。⑵圖2.4手抓夾持誤差分析示意圖以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持半徑為40?60mm,一般夾持誤差不超過1mm,分析如下:工件的平均半徑：

R€ €50mm平均2手抓長L€100mm, 取V型夾角29=120。偏轉(zhuǎn)角?按最佳偏轉(zhuǎn)角確定：R€COS-R€COS-1 平均—Lsin9COS-150100…sin60,€54.7。計算得R-計算得R-Lsin9cos?=100…sin60。…cos54.7。=50mm0式中R—理論平均半徑0因?yàn)镽因?yàn)镽>R>Rmax0min一a2一*￡2sin?TOC\o"1-5"\h\z,R、 一a2一*￡2sin?L2+（——max）2—2L——maxcosI sin9 sin9I1002+（椅"一-.'1002+（40）2一2X10040cos54.7。一-.'1002+（40）2一2X10040cos54.7。一a2一、1002sin54.72-402sin60。 sin60。所以A=0.939<1 夾持誤差滿足設(shè)計要求。2.4.2機(jī)械手腕部設(shè)計計算2.4.2.1腕部設(shè)計的基本要求 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔(dān)，顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能，因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)聯(lián)接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的聯(lián)接。€0.923一a2一L2sin?\o"CurrentDocument"i'/R、 》R一a2一L2sin?A€21L2+（ min）2—2L——minA€2sin9 sin93）工作條件對于本設(shè)計，機(jī)械手的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。2.4.2.2腕部的結(jié)構(gòu)選擇腕部的結(jié)構(gòu)有四種，分別為：（1）具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)直接用回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。（2）用齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)在要求回轉(zhuǎn)角大于270°的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)。（3）具有兩個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)它使腕部具有繞垂直和水平軸轉(zhuǎn)動的兩個自由度。（4）機(jī)—液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu)此手腕具有傳動簡單、輕巧等特點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)有點(diǎn)復(fù)雜。本設(shè)計要求手腕回轉(zhuǎn)180°，綜合以上分析考慮，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動腕部結(jié)構(gòu)。2.4.2.3腕部回轉(zhuǎn)力矩計算腕部在回轉(zhuǎn)時一般需要克服以下三種阻力：（1） 腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩M摩為簡化計算，一般取M€0.1M摩 總力矩（2） 克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏M€Ge偏1式中G—夾持工件重量（N）;1e—工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）；（3） 克服啟動慣性所需的力矩M慣啟動過程近似等加速運(yùn)動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度?及啟動所需時間t,按下式啟計算： M=（J,J）—慣 工件t啟或者根據(jù)腕部角速度€及啟動過程轉(zhuǎn)過的角度甲計算:啟=（=（八J工件）€22?啟式中J工件一工牛對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量N?m?s2）；式中J一手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量N?m?s2）；€一手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度（rad/s）;t一啟動過程中所需時間，一般取0.05?0.3s；啟?一啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）;啟手腕回轉(zhuǎn)所需的總的阻力矩相當(dāng)于上述三項(xiàng)之和，即M=M+M+M總力矩 摩偏慣設(shè)抓取一根軸，其直徑D=100mm,長度l=500mm,m二50kg,當(dāng)手抓夾持在工件中間位置回轉(zhuǎn)180。,將手抓、手抓驅(qū)動液壓缸和回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件等效為一個圓柱體，長h=150mm,半徑為50mm,其所受重力為G,啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度?=0.314rad,等速轉(zhuǎn)動角速度€=2.616rad/s。啟圓柱體重力G=兀x0.052x0.15x7800kg/m3x9.8N/kg=90N因?yàn)槭肿A持在工件中間位置，所以工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離為0，即e等于0,所以M=Ge=0。偏1由于 M慣=（八J工件）莎啟J=mR2

2J=mR2

21G2gR2=1x21x0.052=0.012N?m?s229.8J=—m(l2+3R2)=—x50x(0.52+3x0.052)=1.07N-m-s2工件12 1 12€2 2.6162M=(J,J) =(0.012,1.07)x =11.8N?m慣工件2? 2x0.314啟又因?yàn)镸=0.1M摩 總力矩所以M =M+M+M=0.1M +0+11.8總力矩 摩 偏 慣 總力矩即M =13.1N?m總力矩2.4.2.4腕部工作壓力計算液壓缸內(nèi)徑mm202532405055636520鋼P(yáng)W160MPa70758085909510010545鋼P(yáng)W200MPa110125130140160180200250設(shè)定腕部的部分尺寸：根據(jù)上表設(shè)缸體內(nèi)孔半徑R€55mm,外徑選擇133mm,考慮到實(shí)際裝配問題后，其外徑為180mm，動片寬度b=66mm，輸出軸半徑r€22.5mm。表2.6標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列（JB1068-67）⑴液壓缸外徑mm405063809010011012514015016018020020鋼P(yáng)W160MPa5060769510812113316814618019421924545鋼P(yáng)W200MPa50607695108121133168146180194219245由于實(shí)際回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩M總力矩，即:M=Pb(R2一r2)>M2 總力矩式中M —手腕回轉(zhuǎn)時的總的阻力矩（N-m）；總力矩P—回轉(zhuǎn)液壓缸工作壓力（MPa）；R—缸體內(nèi)孔半徑（mm）；r一輸出軸半徑（mm）；b—動片寬度（mm）；2?13.12M2?13.1所以P>總力矩= =0.16Mpa所以b(R2—r2)0.066?(0.0552—0.02252) ,取P=1Mpa所以腕部回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)為：表2.7腕部回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)工作壓力p缸體內(nèi)徑R輸出軸半徑r回轉(zhuǎn)力矩M動片寬度B1MPa110mm22.5mm13.1N?m66mm2.4.2.5液壓缸蓋螺釘計算

表2.8螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系[1]工作壓力P(MPa)螺釘?shù)拈g距t(mm)0.5?1.5<1501.5?2.5<1202.5?5.0<1005.0?10.0<80t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓力有關(guān)，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為:f fF，F(xiàn)+FF為工作載荷，F(xiàn)為預(yù)緊力QsQQsQQs液壓缸工作壓力為P，1MPa，所以螺釘間距t小于150mm，試選擇8個螺釘聖，2?3.14?0.055?103，43.18<150mm，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z，8個，危88險截面面積0112—00452S，…R2—…r2，3.14? ，0.007908875m24SP0.007908875SP0.007908875?1?106，988.61Nf fF，KF(K，1.5?1.8)取K，1.5則F，KF，1.5?988.61，1482.92NQsQQsQf所以F，F(xiàn)+F，988.61+1482.92，2471.53NQsQQs螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為：1.3?FG， Qs<Q]合 …d24式中R—缸體內(nèi)孔半徑(mm)；[g]—螺釘材料的許用拉應(yīng)力(MPa)；d一螺釘螺紋內(nèi)徑(mm)；1螺釘材料選擇Q235，取g，240MPa，貝VQ]，巳，240，160MPa(n，1.2~2.5)s n1.5i'4x1.3Fi'4x1.3Fd1 …Q]°"■4x1.3x2471.533.14x160x106，0.00516m回轉(zhuǎn)液壓缸蓋螺釘?shù)闹睆竭x擇d，6mm2.4.2.6動片和輸出軸間聯(lián)接螺釘計算動片和輸出軸間聯(lián)接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位，聯(lián)接螺釘?shù)淖饔檬鞘箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密，當(dāng)油腔通高壓油時，動片受油壓作用產(chǎn)生一個合成液壓力矩，克服輸出軸上所受的外載荷力矩。由 (D2—d2)二FZf-8Qs2得F€=^P(D2-d2)= 0.066x1XI06(0.112—0.0452)=3078.47NQs 4Tfd 4x8x0.15x0.045式中 f—被聯(lián)接件配合面間的摩擦系數(shù)，鋼對銅取 f=0.15；D一缸體內(nèi)徑(mm)；d一動片與輸出軸配合處直徑(mm)；fF—動片和輸出軸間聯(lián)接螺釘?shù)念A(yù)緊力N)；Qsb一動片寬度(mm)；P—回轉(zhuǎn)液壓缸工作壓力(Pa)；f1QTJ1螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： ?二.XQs<[?]合 …d24螺釘材料選擇Q235螺釘材料選擇Q235，取?二240MPa，則s[?]二巳二240二160MPa(n二1.2~2.5)n1.5■'4x1.3x3078.47\■'4x1.3x3078.47\3.14x160X1060.0056m14X1.3F\o"CurrentDocument"即d> di\1 …[?]動片和輸出軸間聯(lián)接螺釘?shù)闹睆竭x擇d二6mm,選擇M6的開槽盤頭螺釘。1式中[?]—螺釘材料的許用拉應(yīng)力(MPa)；d一螺釘?shù)闹睆?mm)；12.4.3機(jī)械手臂部設(shè)計計算臂部設(shè)計的基本要求臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小手臂動作應(yīng)該靈活位置精度要高臂部的結(jié)構(gòu)選擇常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)由以下五種：[5]（1） 雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)手臂的伸縮缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿均受拉壓，故受力簡單傳動平穩(wěn)。（2） 雙層液壓缸空心活塞桿單桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)其特點(diǎn)是工作液壓缸容積小、運(yùn)動速度快、外形整齊、活塞桿直徑大、增加手臂剛性。（3） 采用花鍵套導(dǎo)向的手臂升降機(jī)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)向，活塞桿直徑大、剛度大、傳動平穩(wěn)，花鍵軸端部的定位裝置值得注意，必須保證手臂安裝在正確的初始設(shè)計位置上。（4） 雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)活塞桿速度先慢后快，是用短液壓缸實(shí)現(xiàn)大行程的結(jié)構(gòu)。（5）活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，齒條的往復(fù)運(yùn)動帶動與手臂聯(lián)接的齒輪做往復(fù)回轉(zhuǎn)而使手臂左右擺動。通過以上，綜合考慮，本設(shè)計選擇雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動,液壓缸選取雙作用液壓缸。手臂伸縮驅(qū)動力計算伸縮液壓缸活塞驅(qū)動力的計算公式為：F=F€F€F€F驅(qū)摩密回慣式中F—手臂運(yùn)動時，為運(yùn)動件表面間的摩擦阻力；摩F—密封裝置處的摩擦阻力；密F—液壓缸回油腔低壓油液所造成的摩擦阻力；回F—啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力；慣（1）F的計算摩經(jīng)計算 F二『G（2L^）摩總a式中G一參與運(yùn)動的零部件所受的總重量（N）；總L—手臂參與運(yùn)動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐前端的距離(mm)；a—導(dǎo)向支撐的長度(mm)；€'—當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面形狀有關(guān)；對于圓柱面：4兀€=(—?一)€=(1.27?1.57)€兀2€—摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取€=0.1?0.15鋼對鑄鐵：取€=0.18?0.3計算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵，G二800N,€'=1.5?0.2=0.3總L=700mm，導(dǎo)向支撐a=420mm,帶入數(shù)據(jù)得：120F=€'G(2L…a)=0.3?800?(2?700+420)=3640N120摩總⑵尸慣的計算經(jīng)計算GAvF=—總慣 gAt式中Av一由靜止加速到常速的變化量(mm/s)。At—啟動過程時間(t),一般取0.01s?0.5s。手臂啟動速度Av=83mm/s,啟動時間At=0.02s,g=9.8N/kg,帶入數(shù)據(jù)得:=338.8NF=4=800?°.°83慣 gAt 9.8=338.8NF的計算密不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10MPa時，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為：F=0.03F密驅(qū)F的計算回一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。經(jīng)過以上分析計算，液壓缸的驅(qū)動力為：F=F+F+F+F=3640+0.03F+338.8驅(qū)摩密回慣 驅(qū)

所以手臂伸縮驅(qū)動力 F€4102N驅(qū)2.4.3.4手臂伸縮液壓缸參數(shù)計算經(jīng)過上面計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F€4102N,因此選擇液壓缸的工作壓驅(qū)力P€1MPa。CD液壓缸內(nèi)徑計算⑶當(dāng)油進(jìn)入無桿腔:圖2.5雙作用液壓缸示意圖當(dāng)油進(jìn)入無桿腔:圖2.5雙作用液壓缸示意圖,D2F€F耳二P耳驅(qū)i 14當(dāng)油進(jìn)入油桿腔:，(D2-d2)耳所以■4F1.13：—所以■4F1.13：—(無桿腔)(有桿腔)式中F驅(qū)一手臂伸縮液壓缸驅(qū)動力(N);D一液壓缸內(nèi)徑(mm)；d一活塞桿直徑(mm)；耳一液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取!!=0.95；P—液壓缸的工作壓力(MPa)；1帶入數(shù)據(jù)得:D€ €1.13:,pn 、：￡驅(qū)€1.13… 4帶入數(shù)據(jù)得:D€ €1.13:,pn 、Pn 1x106…0.95根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列(JB826-66),選取液壓缸的內(nèi)徑為：D=80mm(2)活塞桿直徑計算活塞桿的尺寸要滿足活塞(或液壓缸)運(yùn)動的要求和強(qiáng)度的要求，對于桿長l大于直徑15倍(/>15d)的活塞桿，還必須具有足夠的穩(wěn)定性。按強(qiáng)度條件決定活塞桿直徑d按拉壓強(qiáng)度計算:

4?4102設(shè)活塞桿材料為碳鋼，碳鋼[€]=100~120MPa,取[€]=IQQMPa4?4102=0.0072md…竺驅(qū)=,=0.0072m兀[€] 3.14?100?106表2.9活塞桿直徑系列（JB826-66）（mm）456810121416182022252830323540455055606365707580859095根據(jù)活塞桿直徑系列（JB826-66）選取活塞桿直徑d=8mm。所以手臂伸縮液壓缸主要參數(shù)為:表2.10手臂伸縮液壓缸主要參數(shù)液壓缸內(nèi)徑D活塞桿直徑d工作壓力p驅(qū)動力F80mm8mm1MPa4720N2.4.4機(jī)械手手臂升降機(jī)構(gòu)計算2.4.4.1手臂偏重力矩的計算根據(jù)實(shí)際情況設(shè)：G=300NG=90NG=110NG=300N工件 手抓 手腕 手臂所以G=300+90+110+300=800N總p =900mm手臂設(shè)p=1500mmp=1400mmpp =900mm手臂Gp+Gp+Gp+Gp 978000=1222.5mmp=工件工件手抓手抓手腕手腕手臂手臂==1222.5mmG+G +G+G 300+90+110+300工件手抓手腕手臂

所以偏轉(zhuǎn)力矩M二Gp二800,1222.5二978N?m偏總式中p—重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離(mm)2.4.4.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件[7]手臂在G的作用下有向下的趨勢，而立柱導(dǎo)套則防止這種趨勢。總由力平衡條件得：GpFh=GpF=一總一TOC\o"1-5"\h\zR2 總 R2 h所謂不自鎖的條件為：G…F?F=2F=2Ff取f=0.16總1 2 2 R2Gp即 G…2f也即h…0.32p>0.32,1222.5=391mm\o"CurrentDocument"總 hFR2800FR2800x1222.5391=2501.3N因此在設(shè)計中必須考慮到立柱導(dǎo)套長度大于391mm。式中f—摩擦系數(shù)；h—立柱導(dǎo)套的長度；2.4.4.3手臂升降驅(qū)動力的計算由手臂升降驅(qū)動力的公式得：F=F+F+F+F土G驅(qū)摩慣回密總（1） F的計算摩F=2Ff取f=0.16又因?yàn)镕=25013N摩 R2 R2所以F=2Ff=2x2501.3x0.16=800.4N摩R2（2） F的計算慣經(jīng)計算GAv經(jīng)計算F=—總-

慣 gAt式中Av—由靜止加速至【」常速的變化量(mm/s)。At—啟動過程時間(t),一般取0.01s?0.5s。手臂啟動速度Av=83mm/s,啟動時間At=0.02s,g=9.8N/kg,帶入數(shù)據(jù)得=338.8NF=4=800x°.°83慣 gAt 9.8x=338.8N不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計中，采用O型密封圈，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10MPa時，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為：F€0.03F密驅(qū)F的計算回一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。經(jīng)過以上分析計算，液壓缸的驅(qū)動力為：慣總F€1999.2N驅(qū)F€349.7N驅(qū)F€F,F,F,F土慣總F€1999.2N驅(qū)F€349.7N驅(qū)當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動時所以當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動時當(dāng)液壓缸向下驅(qū)動時2.4.4.4手臂升降液壓缸參數(shù)計算P€1MPa，為了滿足要求，經(jīng)過上面計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力FP€1MPa，為了滿足要求，此時取F€1999.2N進(jìn)行計算。驅(qū)1)液壓缸內(nèi)徑計算：當(dāng)油進(jìn)入無桿腔：當(dāng)油進(jìn)入油桿腔：F€Fn€P驅(qū)2?(D2當(dāng)油進(jìn)入油桿腔：F€Fn€P驅(qū)2?(D2-d2)n液壓缸的有效面積：所以'4F IFD€:——€1.13'一兀pn pn無桿腔)14FD€ ,d2 (?Pn式中F—手臂升降液壓缸驅(qū)動力(N)；驅(qū)D—液壓缸內(nèi)徑(mm)；(有桿腔)d一活塞桿直徑(mm)；n—液壓缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取n€0.95；P—液壓缸的工作壓力(MPa)；14F帶入數(shù)據(jù)得：D€\:硒€,'F ' 19992'弋€1.13氣1x106X0.95€0.0518m根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列(JB826-66),選取液壓缸的內(nèi)徑為：D=55mm(2)活塞桿直徑計算活塞桿的尺寸要滿足活塞(或液壓缸)運(yùn)動的要求和強(qiáng)度的要求，對于桿長l大于直徑15倍(/>15d)的活塞桿，還必須具有足夠的穩(wěn)定性。按強(qiáng)度條件決定活塞桿直徑d按拉壓強(qiáng)度計算：⑺F,€—?[,]nd2~T~設(shè)活塞桿材料為碳鋼，碳鋼[，]€100~120MPa,取[,]€100MPa^F: 4x1999.2即 d>驅(qū)€ €0.00505m兀[,] 3.14x100x106根據(jù)活塞桿直徑系列(JB826-66)選取活塞桿直徑d=6mm所以手臂升降液壓缸主要參數(shù)為：表2.11手臂升降液壓缸主要參數(shù)液壓缸內(nèi)徑D活塞桿直徑d工作壓力p驅(qū)動力F55mm6mmlMPa1999.2N2.4.5機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的計算2.4.5.1手臂回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動力矩計算手臂回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動力矩 M€M+M+M驅(qū) 慣密回(1)M的計算慣0 0Atm(/2+30 0At12回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個高1500mm,半徑為60mm的圓柱體，圓柱體重量為G總€800N,設(shè)啟動角速度如€0.314rad/s，啟動時間At€Oh。所以m(l所以m(l2+3R2)需"+3…OX)1212€25+800…①2529.8M€J￡€J竺€147x0314€461.6N-m慣0 0At 0.12)M2)M密與氣的計算為了計算方便，密封處的摩擦阻力矩M€0.03M,由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計，即M=0。因此M=M+M+M=461.6+0.03M+0即M=476N，m2.4.5.2手臂回轉(zhuǎn)液壓缸參數(shù)計算d€50mm，則由設(shè)b=60mm，液壓缸工作壓力P=4MPad€50mm，則由M=M=Pb(D2一d2)^^76—+^^76—+0.052=0.136mQsQQsfF為工作載荷，F(xiàn)為預(yù)緊力Qsd=：8M驅(qū)+d2=bP 0.06?4?106所以取液壓缸內(nèi)徑為140mm式中D—液壓缸內(nèi)徑(mm)；P—回轉(zhuǎn)液壓缸工作壓力(MPa)；b一動片寬度(mm)；d一輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑(mm)；所以手臂回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)為：表2.12手臂回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù)工作壓力p液壓缸內(nèi)徑R輸出軸直徑r驅(qū)動力矩M動片寬度B4MPa140mm50mm476N?m60mm2.4.5.3液壓缸蓋螺釘計算由表4可以看出螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系:t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓力有關(guān)，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為:液壓缸工作壓力為P=4MPa,所以螺釘間距t小于100mm,試選擇8個螺釘兀D 3.14?0.136?103=53.38<100mm，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=8個，危險截面面積S=兀R2―兀r2=3.14?0.1362一0.052=0.01256m2QZSP°.°1256?4?106=6280N

QZF'=KF(K€1.5?1.8)取K=1.5則F'=KF=1.5,6280=9420NQsQQsQ所以F€F+F'=6280+9420=15700NQsQQs螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為：1.3,F?€ Qs<[?]合 …d24式中D一動片外徑(mm)；[?]—螺釘材料的許用拉應(yīng)力(MPa)；d一