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本 科 畢 業(yè) 設 計（論 文）
題 目 機械手夾持器設計
專 業(yè)
學生姓名
班 級
學 號
指導教師
二〇 年 月 日
畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明
本人鄭重聲明：所提交的畢業(yè)設計（論文），是本人在導師指導下，獨立進行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本研究做出過重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明并表示了謝意。
7
摘 要
機械手夾持器采用夾持機構進行設計.夾持機構具有剛度大、承載能力強、誤差小、精度高、自重負荷比小、動力性能好、控制容易等一系列優(yōu)點可以作為航天上的對接器、航海上的潛艇救援對接器；工業(yè)上可以作為大件的裝配機器人、精密操作的微動器；可以在汽車總裝線上自動安裝車輪部件；另外，醫(yī)用機器人，天文望遠鏡等都利用了并聯(lián)技術。
本文夾持機構的研究方向：
（1）夾持機構組成原理的研究
研究夾持機構自由度計算、運動副類型、支鉸類型以及運動學分析、建模與仿真等問題。
（2）夾持機構運動空間的研究
（3）夾持機構結構設計的研究
夾持機構的結構設計包括很多內(nèi)容，如機構的總體布局、安全機構設計。
由于本人水平有限，文中的錯誤和不足在所難免，懇請各位老師給予批評和指正。
關鍵詞：機械手；虛擬樣機；夾持機構
Abstract
Manipulator clamping device with clamping mechanism design. Clip holding mechanism with stiffness, bearing capacity of strong, small error, high precision, load / weight ratio is small, the power performance is good, easy control and other a series of advantages can be as a space docking, navigation of the submarine rescue of connector; industry can be as large assembly robot, precision operation of the micro - actuator; can automatically install the wheel assembly in the automobile assembly line; in addition, medical robotics, astronomical telescope using parallel technology.
In this paper, the research direction of the clamping mechanism is studied:
Study on the principle of (1) clamping mechanism
The research on the calculation of the degrees of freedom of the clamping mechanism, the types of the kinematic pairs, the types of the support and hinge, the kinematics analysis, modeling and simulation, etc..
Research on the motion space of (2) clamping mechanism
Research on the structure design of (3) clamping mechanism
The structure design of the clamping mechanism includes a lot of content, such as the overall layout of the mechanism, the design of the safety mechanism.
Due to my limited level, the text of the errors and deficiencies are inevitable, I urge you to give criticism and correction.
Key words: manipulator; virtual prototype; clamping mechanism
目 錄
1 前 言 1
1.1 課題研究背景意義 1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2
2 夾持器 5
2.1夾持器設計的基本要求 5
2.2夾持器結構設計 5
2.2.1夾緊裝置設計 5
2.2.2手爪的夾持誤差及分析 8
2.2.3楔塊等尺寸的確定 11
2.2.4材料及連接件選擇 14
3 腕部 15
3.1腕部設計的基本要求 15
3.2具有一個自由度的回轉缸驅(qū)動的典型腕部結構 15
3.3腕部結構計算 16
3.3.1腕部回轉力矩的計算 16
3.3.2回轉液壓缸所驅(qū)動力矩計算 18
3.3.3回轉缸內(nèi)徑D計算 19
3.3.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?20
3.3.5靜片和輸出軸間的連接螺釘 21
3.3.6腕部軸承選擇 22
3.3.7材料及連接件，密封件選擇 23
4 伸縮臂設計 24
4.1伸縮臂設計基本要求 24
4.2方案設計 25
4.3伸縮臂機構結構設計 26
4.3.1伸縮臂液壓缸參數(shù)計算 26
4.3.2導向桿機構設計 33
5 液壓系統(tǒng) 36
5.1液壓系統(tǒng)設計要求 36
5.2液壓系統(tǒng)設計方案 36
5.3驅(qū)動系統(tǒng)設計 37
5.3.1分功能設計分析 37
5.3.2液壓泵的確定與所需功率計算 37
5.3.3確定泵的電機功率N 38
5.3.4液壓元件的選擇 38
5.3.5輔助元件的選擇 39
5.4液壓系統(tǒng)的驗算 39
5.6液壓系統(tǒng)圖 40
5.6.1設計的液壓系統(tǒng)圖 40
5.6.2液壓系統(tǒng)電磁鐵動作順序控制原理 41
5.6.3電磁鐵動作順序 42
總 結 44
致 謝 45
參考文獻 46
屆本科生畢業(yè)設計（論文）
1 前 言
1.1 課題研究背景意義
機械手夾持器作為機械手的一個重要組成部分，已經(jīng)是機械裝置當中必不可少的部件。工業(yè)機械手是近幾年來出現(xiàn)的一種技術裝備，它能夠模擬人體上肢的某些動作，在生產(chǎn)中代替人力搬運物體或操持工具進行比較簡單的重復操作。而在機械手發(fā)揮其作用的時候，與產(chǎn)品直接接觸的是機械手的末端夾持部分。所以，機械手的意義和用途對于機械手的夾持器來說也是一樣的，特別是在需要移動重量較大或者裝配大型零部件的時候，夾持器能否準確到位進行工作顯得尤為重要。
首先，我們從國家的相關機械行業(yè)政策方面能夠看出其重要地位。2010年7月以來，國家領導人高頻訪問裝備制造企業(yè)，并強調(diào)自主創(chuàng)新。7月9日至11日，中共中央總書記、國家主席、中央軍委主席胡錦濤在河南考察工作。胡錦濤主席希望企業(yè)能不斷增強自主創(chuàng)新能力，不斷適應市場新變化，全面提升企業(yè)競爭力。2009年5月12日，國務院辦公室正式發(fā)布裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃，規(guī)劃期為2009-2011年。“十一五”期間，我國機械工業(yè)延續(xù)了“十五”全面高速發(fā)展的好勢頭，產(chǎn)業(yè)規(guī)模躍居世界首位。??“十一五”期間，機械工業(yè)的產(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)快速增長。2010年機械工業(yè)增加值占全國GDP的比重已超過9％；工業(yè)總產(chǎn)值從2005年的4萬億元增長到2010年的14萬億元，年均增速超過25％，在全國工業(yè)中的比重從16.6％提高到20.3％；規(guī)模以上企業(yè)已達10萬多家，比“十五”末增加了近5萬家，從業(yè)人數(shù)達到1752萬人，資產(chǎn)總額已達到10.4萬億元，比“十五”末翻了一番。2009年，我國機械工業(yè)銷售額達到1.5萬億美元，超過日本的1.2萬億美元和美國的1萬億美元，躍居世界第一，成為全球機械制造第一大國?！笆濉睓C械工業(yè)必須加快發(fā)展方式的轉變，由過度依賴于消耗能源、資源和增加環(huán)境成本轉向更多地依靠技術創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和勞動者素質(zhì)提高實現(xiàn)增長。生產(chǎn)模式努力向節(jié)能減排、綠色制造轉變；產(chǎn)品結構努力向高端產(chǎn)品升級，產(chǎn)業(yè)技術向與信息技術等新技術的深度融合方向轉變；商業(yè)模式從賣產(chǎn)品向賣服務方向轉變；驅(qū)動模式從投資拉動向內(nèi)涵驅(qū)動轉變；增長點從傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)向新興產(chǎn)業(yè)方向轉變。以上可以看出，我們國家正全力主張機械工業(yè)的發(fā)展。
其次，從其所在的行業(yè)來講，它的存在是為了提高生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率，減輕工人的勞動，不僅如此，它的合理使用還可以保證產(chǎn)品的質(zhì)量。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。對于機械手的夾持部分，能夠快而準確地夾持好零部件無論是對于加工還是裝配都有著非凡的意義。而且，生產(chǎn)中應用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)；尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越多的應用。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。但是，盡管如此，其所應用的行業(yè)并不多，仍舊有很多工作是必須由人力參與完成的；并且，很多地方還存在行業(yè)的不足。
再者，對于應用了機械手的生產(chǎn)部門而言，機械手的應用不僅大大地降低了車間工作人員的人身安全意外事故發(fā)生的概率；而且除了定期檢查包養(yǎng)以外，不需要其它特殊照顧，工作時沒有其他事情的耽擱，所以對于提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率有很大的幫助；另外，機械手有較好的重復精度，所以對于提高產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量也有很大的貢獻。但是，機械手在重載精密條件下投入使用的并不常見。
然而，正是由于存在這樣的一些問題，再加上對其所應用的行業(yè)的需求分析，此次的重載精密機械手夾持器的設計才格外顯得意義非凡。試想在未來的汽車生產(chǎn)中，不僅是小型零部件的加工，而是整個汽車的裝配都不再需要人工參與，豈不是大大減輕了人類的工作量。
綜上所述，隨著科技的進步，市場的發(fā)展，機械手的廣泛應用已漸趨可能，在未來的制造業(yè)中，越來越多的機械手將被應用，越來越好的機械手將被制造，越來越靈活的夾持器將被設計出來，毫不夸張地說，機械手是人類走向先進制造的一個標志，是人類走向現(xiàn)代化、高新科技進步的一個象征。
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
夾持機構具有高剛度、高承載能力、高速度、高精度、重量輕、機械結構簡單、標準化程度高和模塊化程度高等優(yōu)點,在要求精密加工的航空航天、兵器、船舶、電子等領域得到了成功的應用。
在我國，工業(yè)機械手的研究與開發(fā)始于20世紀70年代。1972年我國第一臺機械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應用機械手。從第七個五年計劃(1986-1990)開始，我國政府將工業(yè)機器人的發(fā)展列入其中，并且為此項目投入的大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機器人，有由北京機械自動化研究所設計制造的噴涂機器人，廣州機床研究所和北京機床研究所合作設計制造的點焊機器人，大連機床研究所設計制造的氬弧焊機器人，沈陽工業(yè)大學設計制造的裝卸載機器等等。這些機人的控制器，都是由中國科學院沈陽自動化研究所(SIA)和北京科技大學機器人研究所開發(fā)的，同時一系列的機器人關鍵部件也被開發(fā)出來，如機器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機，編碼器，DC--PWM等等。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。???
在國外，機械手首先是從美國開始研制的。在1958年美國聯(lián)合控制公司就已經(jīng)研制出第一臺機械手。
1）1954年USA工程師德爾沃最早提出機械人的概念；
2）1959年USA德爾沃與英格伯制造了世界上的第一臺機械人；
3）1962年USA正式將機械人的使用性提出來，且制造出類似人的手臂；
4）1967年JAN成立了人工手研究會，并召開了首屆機械手學術會；
5）1970年在USA召開了第一屆工業(yè)機械人學術會，并的到迅速普及；
6）1973年辛辛那提公司制造出第一臺小型計算機控制的的工業(yè)機械人，當時是液壓驅(qū)動，能載重大成就45KG；
7）到1980年在JAN得到普及，并定為“機械人元年”此后在日本機械人得到了前所未有的發(fā)展與提升，在就是后來到臺灣再到大陸。
國外機械手在機械制造行業(yè)中應用較多，發(fā)展也很迅速。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。目前世界高端工業(yè)機械手均有高精化，高速化，多軸化，輕量化的發(fā)展趨勢。定位精度可以滿足微米及亞微米級要求，運行速度可以達到3M/S，量新產(chǎn)品達到6軸，負載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機械?手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時，隨著機械手的小型化和微型化，其應用領域?qū)黄苽鹘y(tǒng)的機械領域，而向著電子信息、生物技術、生命科學及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。
4、 研究方法與實施方案
確定機械手夾持器的主要工作參數(shù)，比如所要夾持的工件的外觀尺寸，夾持工件的重量，夾持速度，手指的夾緊力，手指開閉范圍，放松時手指間的最大距離等。仔細研究夾持時所受的力，綜合考慮到各方面的其他外因。
夾持器設計的基本要求?：
（1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力；?
（2）手指應具有一定的開閉范圍；
（3）應保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；
（4）要求結構緊湊，重量輕，效率高；?
（5）應考慮通用性和特殊要求。
具體實施方案：
1、 確定夾持工件尺寸范圍、重量；
2、 確定所夾持工件工作形式和工作環(huán)境；
3、 進行夾持器結構設計；
4、 對夾持器進行動力學和運動學方面的性能分析計算；
5、 校驗夾持器的結構受力等因素；
6、 繪制夾持器裝配圖、零件圖；
完成相關論文的編寫。
36
2 夾持器
2.1夾持器設計的基本要求
（1）應具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力；
（2）手指應具有一定的開閉范圍；
（3）應保證工件在手指內(nèi)的夾持精度；
（4）要求結構緊湊，重量輕，效率高；
（5）應考慮通用性和特殊要求。
設計參數(shù)及要求
（1）采用手指式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊—放松；
（2）所要抓緊的工件直徑為80mm 放松時的兩抓的最大距離為110-120mm/s ， 1s抓緊,夾持速度20mm/s；
（3）工件的材質(zhì)為5kg，材質(zhì)為45#鋼；
（4）夾持器有足夠的夾持力；
（5）夾持器靠法蘭聯(lián)接在手臂上。由液壓缸提供動力。
2.2夾持器結構設計
2.2.1夾緊裝置設計
2.2.1.1夾緊力計算
手指加在工件上的夾緊力是設計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）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列公式計算：
2-1
式中：
—安全系數(shù)，由機械手的工藝及設計要求確定,通常取1.2——2.0，取1.5；
—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， 計算最大加速度，得出工作情況系數(shù), ，a為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（m/s）；
—方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，
手指與工件位置：手指水平放置 工件垂直放置；
手指與工件形狀：型指端夾持圓柱型工件，
，為摩擦系數(shù)，為型手指半角，此處粗略計算,如圖2.1
圖2.1
—被抓取工件的重量
求得夾緊力 ，，取整為177N。
2.2.1.2驅(qū)動力力計算
根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關系式：
式中：
c—滾子至銷軸之間的距離；
b—爪至銷軸之間的距離；
—楔塊的傾斜角
可得，得出為理論計算值，實際采取的液壓缸驅(qū)動力要大于理論計算值，考慮手爪的機械效率，一般取0.8～0.9，此處取0.88，則：
，取
2.2.1.3液壓缸驅(qū)動力計算
設計方案中壓縮彈簧使爪牙張開，故為常開式夾緊裝置，液壓缸為單作用缸，提供推力：
式中 ——活塞直徑
——活塞桿直徑
——驅(qū)動壓力，
,已知液壓缸驅(qū)動力，且
由于，故選工作壓力P=1MPa
據(jù)公式計算可得液壓缸內(nèi)徑：
根據(jù)液壓設計手冊,見表2.1，圓整后取D=32mm。
表2.1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66）（mm）
20
25
32
40
50
55
63
65
70
75
80
85
90
95
100
105
110
125
130
140
160
180
200
250
活塞桿直徑 d=0.5D=0.5×40mm=16mm
活塞厚 B=(0.6～1.0)D 取B=0.8d=0.7×32mm=22.4mm,取23mm.
缸筒長度 L≤(20～30)D 取L為123mm
活塞行程，當抓取80mm工件時，即手爪從張開120mm減小到80mm，楔快向前移動大約40mm。取液壓缸行程S=40mm。
液壓缸流量計算：
放松時流量
夾緊時流量
2.2.1.4選用夾持器液壓缸
溫州中冶液壓氣動有限公司所生產(chǎn)的輕型拉桿液壓缸
型號為：MOB-B-32-83-FB，結構簡圖，外形尺寸及技術參數(shù)如下：
表2.2夾持器液壓缸技術參數(shù)
工作壓力
使用溫度范圍
允許最大速度
效率
傳動介質(zhì)
缸徑
受壓面積()
速度比
無桿腔
有桿腔
1MPa
～+
300 m/s
90%
常規(guī)礦物液壓油
32
mm
12.5
8.6
1.45
圖2.2 結構簡圖
圖2.3 外形尺寸
2.2.2手爪的夾持誤差及分析
機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結構參數(shù)，見圖2-4，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。在機械加工中，通常情況使手爪的夾持誤差不超過，手部的最終誤差取決與手部裝置加工精度和控制系統(tǒng)補償能力。
圖 2.4
工件直徑為80mm，尺寸偏差，則，，。
本設計為楔塊杠桿式回轉型夾持器，屬于兩支點回轉型手指夾持，如圖2.5。
圖2.5
若把工件軸心位置C到手爪兩支點連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關系有：
簡化為：
該方程為雙曲線方程，如圖2.6：
圖2.6 工件半徑與夾持誤差關系曲線
由上圖得，當工件半徑為時，X取最小值，又從上式可以求出：
，通常取
若工件的半徑變化到時，X值的最大變化量，即為夾持誤差，用表示。
在設計中，希望按給定的和來確定手爪各部分尺寸，為了減少夾持誤差，一方面可加長手指長度，但手指過長，使其結構增大；另一方面可選取合適的偏轉角，使夾持誤差最小，這時的偏轉角稱為最佳偏轉角。只有當工件的平均半徑取為時，夾持誤差最小。此時最佳偏轉角的選擇對于兩支點回轉型手爪（尤其當a值較大時），偏轉角的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的和邊平行，抓不著工件。為避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑，以為條件確定兩支點回轉型手爪的偏轉角，即下式：
其中,,型鉗的夾角
代入得出：
則
則，此時定位誤差為和中的最大值。
分別代入得：
，
所以，，夾持誤差滿足設計要求。
由以上各值可得：
取值為。
2.2.3楔塊等尺寸的確定
楔塊進入杠桿手指時的力分析如下：
圖 2.7
上圖2.7中
—斜楔角，＜時有增力作用；
—滾子與斜楔面間當量摩擦角，，為滾子與轉軸間的摩擦角，為轉軸直徑，為滾子外徑，，為滾子與轉軸間摩擦系數(shù);
—支點至斜面垂線與杠桿的夾角；
—杠桿驅(qū)動端桿長；
—杠桿夾緊端桿長；
—杠桿傳動機械效率
2.2.3.1斜楔的傳動效率
斜楔的傳動效率可由下式表示：
杠桿傳動機械效率取0.834，取0.1，取0.5，則可得=, ，取整得=。
2.2.3.2動作范圍分析
陰影部分杠桿手指的動作范圍，即，見圖 2.8
圖 2.8
如果，則楔面對杠桿作用力沿桿身方向，夾緊力為零，且為不穩(wěn)定狀態(tài)，所以必須大于。此外，當時，杠桿與斜面平行，呈直線接觸，且與回轉支點在結構上干涉，即為手指動作的理論極限位置。
2.2.3.3斜楔驅(qū)動行程與手指開閉范圍
當斜楔從松開位置向下移動至夾緊位置時，沿兩斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程為L，此時對應的杠桿手指由位置轉到位置，其驅(qū)動行程可用下式表示：
杠桿手指夾緊端沿夾緊力方向的位移為：
通常狀態(tài)下，在左右范圍內(nèi)，則由手指需要的開閉范圍來確定。由給定條件可知最大為55-60mm,最小設定為30mm.即。已知，可得，有圖關系：
圖2.9
可知：楔塊下邊為60mm，支點O距中心線30mm，且有，解得：
2.2.3.4與的確定
斜楔傳動比可由下式表示：
可知一定時，愈大，愈大，且杠桿手指的轉角在范圍內(nèi)增大時，傳動比減小，即斜楔等速前進，杠桿手指轉速逐漸減小，則由分配距離為：，。
2.2.3.5確定
由前式得：
，，取。
2.2.3.6確定
為沿斜面對稱中心線方向的驅(qū)動行程，有下圖中關系
圖2.10
，取，則楔塊上邊長為18.686，取19mm.
2.2.4材料及連接件選擇
V型指與夾持器連接選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個
杠桿手指中間與外殼連接選用圓柱銷，d=8mm, 需使用2個
滾子與手指連接選用圓柱銷，d=6mm, 需使用2個
以上材料均為鋼，無淬火和表面處理
楔塊與活塞桿采用螺紋連接，基本尺寸為公稱直徑12mm，螺距p=1，旋合長度為10mm。
3 腕部
3.1腕部設計的基本要求
手腕部件設置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應性更強。手腕部件具有獨立的自由度，此設計中要求有繞中軸的回轉運動。
（1）力求結構緊湊、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。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。
（2）結構考慮，合理布局
腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
（3）必須考慮工作條件
對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，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，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。
3.2具有一個自由度的回轉缸驅(qū)動的典型腕部結構
如圖3.1所示，采用一個回轉液壓缸，實現(xiàn)腕部的旋轉運動。從A—A剖視圖上可以看到，回轉葉片（簡稱動片）用螺釘，銷釘和轉軸10連接在一起，定片8則和缸體9連接。壓力油分別由油孔5.7進出油腔，實現(xiàn)手部12的旋轉。旋轉角的極限值由動，靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于），圖中缸可回轉。腕部旋轉位置控制問題，可采用機械擋塊定位。當要求任意點定位時，可采用位置檢測元件（如本例為電位器，其軸安裝在件1左端面的小孔）對所需位置進行檢測并加以反饋控制。
圖3.1
圖示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅(qū)動液壓缸的油管是從回轉中心通過，腕部回轉時，油路認可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉液壓缸）由手臂內(nèi)通過并經(jīng)腕架分別進入回轉液壓缸和手部驅(qū)動液壓缸。本設計要求手腕回轉，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅(qū)動腕部結構，采用液壓驅(qū)動，參考上圖典型結構。
3.3腕部結構計算
3.3.1腕部回轉力矩的計算
腕部回轉時，需要克服的阻力有：
（1）腕部回轉支承處的摩擦力矩
式中 ，—軸承處支反力（N），可由靜力平衡方程求得;
,—軸承的直徑（m）；
—軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承=0.01-0.02；對于滑動軸承=0.1。
為簡化計算，取，如圖3.1所示，其中，為工件重量，為手部重量，為手腕轉動件重量。
圖3.1
（2）克服由于工件重心偏置所需的力矩
式中 e—工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離，已知e=10mm.
則
（3）克服啟動慣性所需的力矩
啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉的角速度及啟動過程轉過的角度按下式計算：
式中 —工件對手腕回轉軸線的轉動慣量；
—手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量；
—手腕回轉過程的角速度；
—啟動過程所需的時間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s.。
手抓、手抓驅(qū)動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為200mm，直徑90mm，其重力估算：
,取98N.
等效圓柱體的轉動慣量：
工件的轉動慣量，已知圓柱體工件，
要求工件在0.5s內(nèi)旋轉90度, 取平均角速度，即=，
代入得：
解可得： =0.8083
3.3.2回轉液壓缸所驅(qū)動力矩計算
回轉液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩
如圖3.3，定片1與缸體2固連，動片3與轉軸5固連，當a, b口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉，達到手腕回轉的目的。
圖3.3
圖3.4
圖3.4為回轉液壓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。
或
式中 ——手腕回轉時的總的阻力矩
——回轉液壓缸的工作壓力（Pa）
——缸體內(nèi)孔半徑（m）
——輸出軸半徑（m），設計時按選取
——動片寬度（m）
上述動力距與壓力的關系是設定為低壓腔背壓力等于零。
3.3.3回轉缸內(nèi)徑D計算
由 ，得：
，
為減少動片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動片的懸伸長度，選擇動片寬度時，選用：
綜合考慮，取值計算如下：
r=16mm，R=40mm，b=50mm，取值為1Mpa，即如下圖：
圖3.5
3.3.4液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
圖3.6缸蓋螺釘間距示意
表3.3 螺釘間距t與壓力P之間的關系
工作壓力P（Mpa）
螺釘?shù)拈g距t(mm)
小于150
小于120
小于100
小于80
上圖中表示的連接中，每個螺釘在危險截面上承受的拉力為：
，即工作拉力與殘余預緊力之和
計算如下：
液壓缸工作壓強為P=1Mpa,所以螺釘間距小于150mm,試選擇2個螺釘，，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=2個
受力截面
，此處連接要求有密封性，故k?。?.5-1.8），取K=1.6。
所以
螺釘材料選擇Q235，
，安全系數(shù)n取1.5（1.5-2.2）
螺釘?shù)闹睆接上率降贸?
，F(xiàn)為總拉力即
螺釘?shù)闹睆竭x擇d=8mm.
3.3.5靜片和輸出軸間的連接螺釘
動片和輸出軸之間的連接結構見上圖。連接螺釘一般為偶數(shù)。螺釘由于油液沖擊產(chǎn)生橫向載荷，由于預緊力的作用，將在接合面處產(chǎn)生摩擦力以抵抗工作載荷，預緊力的大小，以接合面不產(chǎn)生滑移的條件確定，故有以下等式：
為預緊力,為接合面摩擦系數(shù)，?。?.10-0.16）范圍的0.15，即鋼和鑄鐵零件，為接合面數(shù)，取=2，Z為螺釘數(shù)目，取Z=2，D為靜片的外徑，d為輸出軸直徑，則可得：
螺釘?shù)膹姸葪l件為：
帶入有關數(shù)據(jù)，得：
螺釘材料選擇Q235，則（安全系數(shù)）
螺釘?shù)闹睆? ，d值極小，取。
螺釘選擇M6的開槽盤頭螺釘， ,如圖3.7：
圖3.7
3.3.6腕部軸承選擇
腕部材料選擇HT200，，估計軸承所受徑向載荷為50N,軸向載荷較小，忽略。兩處均選用深溝球軸承。現(xiàn)校核較小軸徑處軸承。
6005軸承基本數(shù)據(jù)如下：
，當量動載荷，載荷系數(shù)取1，，則，由公式：
N為轉速，由0.5s完成回轉，計算得：，，球軸承
代入得：
，遠大于軸承額定壽命。
選用軸承為深溝球軸承6005，6008。
3.3.7材料及連接件，密封件選擇
右端軸承端蓋與腕部回轉缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
右缸蓋與缸體連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
左缸蓋與缸體及法蘭盤連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
選用墊圈防松，，公稱尺寸為5。
右端軸承端蓋與腕部回轉缸連接選用六角頭螺栓，全螺紋，，,需用4個。
為定位作用，軸左側增加一個套筒，材料為HT200，尺寸如下：
圖3.8
動片與輸出軸連接選用六角頭螺栓 全螺紋， ， 需用2個。
密封件選擇：
全部選用氈圈油環(huán)密封，材料為半粗羊毛氈。
右端蓋 d=40mm, 左右缸蓋 d=25mm。
4 伸縮臂設計
4.1伸縮臂設計基本要求
設計機械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機械手，完成直線伸縮動作。
（1）功能性的要求
機械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動作快捷，定位準確，工作協(xié)調(diào)。
（2）適應性的要求
為便于調(diào)整，適應工件大小不同的要求，起止位置要方便調(diào)整，要求設置可調(diào)式定位機構。為了控制慣性力，減少運動沖擊，動力的大小要能與負載大小相適應，如步進電機通過程序設計改變運動速度，力矩電機通過調(diào)整工作電壓，改變堵力矩的大小，達到工作平穩(wěn)、動作快捷、定位準確的要求。
（3）可靠性的要求
可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預定使用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。
工業(yè)機械手可自動完成預定工作，廣泛應用在自動化生產(chǎn)線上，因此要求機械手工作必須可靠。設計時要進行可靠性分析。
（4）壽命的要求
產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時因磨損而使性能下降在允許范圍內(nèi)而且無需大修的連續(xù)工作期限。設計中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤滑措施、合理設計零件的形面等。因各零部件難以設計成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。
（5）經(jīng)濟的要求
機械產(chǎn)品設備的經(jīng)濟性包括設計制造的經(jīng)濟性和使用的經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品的制造成本構成中材料費、加工費占有很大的比重，設計時必須給予充分注意。將機械設計課程中學到的基本設計思想貫穿到設計中。
（6）人機工程學的要求
人機工程學也稱為技術美學，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護保養(yǎng)容易等。本設計中要充分考慮外形設計，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設計要方便人體接近，方便工具的使用。
（7）安全保護和自動報警的要求
按規(guī)范要求，采取適當?shù)姆雷o措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設計都必須考慮的，是必不可少的。在程序設計中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機構卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設置報警裝置。
設計參數(shù)
（1）伸縮長度：300mm；
（2）單方向伸縮時間：1.5～2.5S；
（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；
（4）前端安裝機械手，伸縮終點無剛性沖擊；
4.2方案設計
液壓驅(qū)動方案
（1）伸縮原理
采用單出桿雙作用液壓油缸，手臂伸出時采用單向調(diào)速閥進行回油節(jié)流調(diào)速，接近終點時，發(fā)出信號，進行調(diào)速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導向桿導向防止轉動，采用電液換向閥，控制伸縮方向。（圖4.1）
圖4.1
（2）液壓系統(tǒng)的設計計算
液壓控制系統(tǒng)設計要滿足伸縮臂動作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動力要求和運動時間要求，具體設計計算參考《液壓傳動與控制》等相關教材。由于伸縮臂做間歇式往復運動，有較大的沖擊，設計時要考慮緩沖措施，可從液壓回路設計上考慮，也可從液壓件結構上考慮。
設計計算參數(shù)及要求：
① 電磁閥流量：要滿足伸縮速度的要求。
② 油缸直徑：推力大小要能克服機構起動慣性并有一定的起動加速度，要滿足運動時間要求。
③ 導向桿剛度：按最長伸出時機械手端部的撓度不超過規(guī)定要求。
④ 定位方式和元件：自選。
（3）結構方案設計及強度和剛度計算
伸縮臂運動簡圖見圖4-1
① 結構方案說明
a：支座1安裝在機器人床身上，用于安裝伸縮臂油缸和導向桿等零部件。
b：法蘭4用于安裝機械手，其形式和尺寸要與機械手相協(xié)調(diào)。
c：液壓缸伸出桿帶動導向桿同時伸出300mm，伸出長度較大，設計、制造和安裝時要考慮液壓缸與導向桿的平行度要求。
d：導向桿可采用直線導軌或直線導軸。直線導軌可選用外購件，直接從生產(chǎn)廠家的有關資料中獲得所需參數(shù)（網(wǎng)上查詢直線導軌、直線導軸）。采用直線導軸時可自行設計，并且要考慮導向桿的潤滑，潤滑方式參考有關手冊設計。
② 強度及剛度計算
本機械手夾持工件重量約3Kg左右，夾持器重量約15Kg，夾持器長度最大約250mm。從受力角度分析，載荷不大，可參考其它機器作類比設計即可。伸縮臂的機構力學模型如圖4.2所示。
夾持器夾著工件，伸縮臂全部伸出，是導桿受力最大的狀態(tài),也是變形最大的位置。在此情況下，用材料力學的知識計算它的強度和剛度。
圖4.2
4.3伸縮臂機構結構設計
4.3.1伸縮臂液壓缸參數(shù)計算
4.3.1.1工作負載R
液壓缸的工作負載R是指工作機構在滿負荷情況下，以一定加速度啟動時對液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即：
式中：-工作機構的荷重及自重對液壓缸產(chǎn)生的作用力；
-工作機構在滿載啟動時的靜摩擦力；
-工作機構滿載啟動時的慣性力。
(1)的確定
① 工件的質(zhì)量m
=5.9 (kg)
②夾持器的質(zhì)量 15kg(已知)
③伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計)
④其他部件的質(zhì)量 15kg(估計)
工作機構荷重： Ri=(5.9+15+50+15)*10=859(N)
取Ri=860N
(2) 的確定 Rm= (N)
(3) 的確定 Rg=(N)
式中：為啟動時間，其加速時間約為0.1～0.5s
=0.1s , =0.2s
總負載 R=Ri+Rg+Rm=860+172+172=1204(N)
取實際負載為 =1200
4.3.1.2液壓缸缸筒內(nèi)徑D的確定
D=
式中：R=1000 <5000 , p可取0.8～, =
取液壓缸缸筒內(nèi)徑為40mm。
4.3.1.3活塞桿設計參數(shù)及校核
(1)活塞桿材料：選擇45號調(diào)質(zhì)鋼，其抗拉強度=570
(2)活塞桿的直徑：查《液壓傳動設計手冊》得，當壓力小于10Mpa時，速比=1.33。
則可選取活塞桿直徑為20mm系列，且缸筒的厚度為5mm。
最小導向長度：mm
(3)活塞桿強度及壓桿穩(wěn)定性的計算
采用非等截面計算法
① 油缸穩(wěn)定性的計算
因為油缸的工作行程較大，則在油缸活塞桿全部伸出時，計算油缸受最大作用力壓縮時油缸的穩(wěn)定性。
假設油缸的活塞桿的推理為P，油缸穩(wěn)定的極限應力為Pk，則油缸穩(wěn)定性的條件為P
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