五自由度液壓搬運機械手設(shè)計概要

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1、哈爾濱理工大學學士學位論文 五自由度液壓搬運機械手設(shè)計 6 目錄 第1章緒論 4. 1.1課題背景及研究現(xiàn)狀 .4. 1.2機械手的研究意義及其本身優(yōu)點 5 1.2.1 機械手的研究意義 5 1.2.2 機械手本身的優(yōu)點 5 1.3本章小結(jié) 6. 第2章 總體方案設(shè)計 7. 2.1設(shè)計目標 7. 2.2總體方案分析 Z. 2.2.1 搬運機械手的組成 7. 2.2.2三大系統(tǒng)設(shè)計分析 7 2.3搬運機械手的運動及驅(qū)動方式 8 2.4本章小結(jié) 1.0 第3章 基本參數(shù)及二維外觀圖 11 3.1基本參數(shù) 11 3.2總體外觀圖 11 3.

2、2.1外觀圖簡圖 1.1 3.2.2液壓原理設(shè)計圖截圖 12 3.3本章小結(jié) 1.3 第4章 各部分的具體計算 14 4.1 手部夾持器的計算 14 4.1.1手部夾持器設(shè)計要求 1.4 4.1.2手部夾持器設(shè)計計算 15 4.1.3端蓋螺釘校核 15 4.2腕部回轉(zhuǎn)油缸計算 16 4.3小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 20 4.4俯仰缸設(shè)計 24 4.5大臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 25 4.6大臂升降結(jié)構(gòu)設(shè)計 28 4.7手部驅(qū)動油缸油孔尺寸計算 29 4.8腕部回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 30 4.9大臂回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 30 4.10大臂升降油缸油孔尺寸確定 31 4

3、.11伸縮臂油缸油孔尺寸確定 3.1 4.12本章小結(jié) 32 第5章 各油缸活塞桿校核 33 5.1手部驅(qū)動油缸活塞桿校核 33 5.2腕部回轉(zhuǎn)油缸活塞桿校核 33 5.3伸縮油缸活塞桿校核 .3.4 5.4俯仰油缸活塞桿校核 .3.4 5.5本章小結(jié) 35 第6章總體三維圖 36 6.1總體三維圖 36 6.2本章小結(jié) 37 結(jié)論 38 致謝 39 參考文獻 40 附錄 42 第1章緒論 1.1課題背景及研究現(xiàn)狀 機器人是典型的機電一體化裝置，它綜合運用了機械與精密機械、微 電子與計算機、自動控制與驅(qū)動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學 科的最新研究

4、成果，隨著經(jīng)濟的發(fā)展和各行各業(yè)對自動化程度要求的提 高，機器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的機器人產(chǎn)品。機器人 產(chǎn)品的實用化，既解決了許多單靠人力難以解決的實際問題，又促進了工 業(yè)自動化的進程。目前，由于機器人的研制和開發(fā)涉及多方面的技術(shù)，系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，開發(fā)和研制的成本普遍較高，在某種程度上限制了該項技術(shù) 的廣泛應用，因此，研制經(jīng)濟型、實用化、高可靠性機器人系統(tǒng)具有廣泛 的社會現(xiàn)實意義和經(jīng)濟價值。 機械手自六十年代以來問世以來，發(fā)展非常迅速。目前，第二代產(chǎn) 品，微機控制、直流電動機驅(qū)動的小型工業(yè)機械手已成產(chǎn)品。 美國是最早研制和應用機械手的國家，早在 1967年就定型批量生產(chǎn) 了

5、 UNIMATE4000型前身。1969年美國通用汽車公司自行研制了 SAM工 業(yè)機械手，并用 21臺機器手組成了點焊轎車車身的自動生產(chǎn)線。 70年 代，美國克萊斯勒汽車公司的 32條沖繩自動線的448臺沖床，全部采用 了機械手傳送工件。 日本機械手工業(yè)雖比美國起步晚（六十年代后期） ，但是發(fā)展速度更 快，根據(jù)統(tǒng)計，1982年日本擁有工業(yè)機械手共 13000余臺，生產(chǎn)廠家近 200 家。 此外，瑞典、挪威、德國、意大利、俄國等國家也是發(fā)展迅速，例 如挪威的TRLLFA公司生產(chǎn)的機械手，瑞典的ASEA公司、 ELECTROLUX 公司和 KAVIELDT 公司生產(chǎn)的機械手，德國的 VOLK

6、SVAGEN公司生產(chǎn)的機械手在歐洲市場，甚至在北美市場都占有很 大的比重。 工業(yè)機械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強度，提 高 勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運和 長期頻繁，單調(diào)的操作，如果沒有機械手那么工人的勞動強度是很高的， 有時候還要用行車員工件，生產(chǎn)速度大大延緩，這種情況采用機械手是很 有效的。此外，它能在咼溫、低溫、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有 污染環(huán)境條件上進行操作。更顯其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 工業(yè)機械手的主要應用領(lǐng)域是機械加工過程中的上、下料及搬運、裝 配、焊接、沖壓、樹脂成型加工及其熱處理、鍛壓等。 表1-1機械手在各個

7、行業(yè)所占比例（ %） 年 份 裝 配 弧 焊 噴 漆 占 八、、 焊 樹脂成 型 鑄處 鍛熱理 機械加 工 苴 他 2000 9.8 7.3 4.9 11.4 7.3 20.4 22.8 16.1 2005 16.5 11，0 4.9 9.6 4.5 22.2 14.2 22.2 2010 21.7 10.5 5.1 7.5 3.3 22.3 13.1 16.5 1.2機械手的研究意義及其本身優(yōu)點 1.2.1機械手的研究意義 機械人手技術(shù)是近30年來發(fā)展比較快的一種新技術(shù)，機械手是一門 新興的的

8、綜合性科學，他設(shè)計機械設(shè)計制造控制工程計算機傳感技術(shù)仿真 生學，人工智能等領(lǐng)域，工業(yè)機械手是實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要設(shè)備， 它本身是機電一體化的典型產(chǎn)品。 工業(yè)機械手能模仿人肢體的一些動作，可以代替人的一些動作，代替 人們進行工作，一次機械手自問世以來就受到人們的寵愛而且性能不斷完 善，各種優(yōu)良的機械手不斷出現(xiàn)操作越來越靈活，在一些方面與人手相 比，幾乎達到了以假亂真的程度，加之各種技能的應用，使得機器人有了 自己的頭腦能不受控制而獨立的處理一些問題，因此其應用越來越廣泛。 122機械手本身的優(yōu)點 搬運機械手是機器人家族中的重要一員，其應用最廣泛，在自動化流 水線生產(chǎn)中勞動強度最大，工作

9、條件差，熱塵煙霧毒氣等使得環(huán)境惡化， 使得人的工作受到了種種限制，此時搬運機械手則能夠迎難而上，獨樹一 幟，而且其能不知疲倦的工作，搬運機械手具有許多人沒法相比的優(yōu)點： （1） 工作時間持久，不會出現(xiàn)人的疲勞，可以重復不間斷的勞動，能持 流水線的持續(xù)工作。 （2） 對環(huán)境的適應性強，特別能在多粉業(yè)，以燃燒以爆炸放射性等惡劣 環(huán)境下工作。 （3）運動靈活精確，能夠延伸到人手所不能到達的空間區(qū)域內(nèi)進行工 作，而不受外界因素的干擾。 （4） 通用性好，本搬運機械手在設(shè)計過程中，考慮到其通用性，因此留 有余地，因此除搬運外，還可以焊接噴漆等。 （5） 工作效率高，提高了勞動生產(chǎn)效率，同時也

10、降低了成本。 諸多的優(yōu)點為機械人的廣泛應用開辟了廣闊的前景，而我國在這些方 面還處于初始階段，因此需要更進一步發(fā)展，本次的設(shè)計是對大學四年 所學知識的鞏固與綜合應用。 1.3本章小結(jié) 本章介紹了五自由度液壓搬運機械手的設(shè)計研究背景及其研究現(xiàn)狀， 列舉了一些國家的研究成果，重點講述了機械手的研究在現(xiàn)實中的應用領(lǐng) 域，還介紹了機械手的優(yōu)點及發(fā)展前景。 哈爾濱理工大學學士學位論文 第2章總體方案設(shè)計 2.1設(shè)計目標 設(shè)計一種五自由度搬運機器手，包括機器手的總體設(shè)計，移動方式設(shè) 計，動作規(guī)劃設(shè)計，三維造型設(shè)計等。 重點是機器手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即如何在綜合考慮機器人的功能和特性要 求后，

11、能夠完整的設(shè)計出合理而優(yōu)化的機器手。 功能指標包括：機械手的各部件的升降、轉(zhuǎn)動，對壓力的敏感反映 等，使得機器人可以實現(xiàn)到達任何位置的升降、轉(zhuǎn)動，同時具有重量輕， 穩(wěn)定性好等特點。 由于本設(shè)計并沒有工業(yè)實際的問題的要求，也就是沒有要功能模塊的 具體設(shè)計，并且，設(shè)計者所希望的創(chuàng)新性也大過實用性?；谝陨显颍?本設(shè)計暫不考慮對于功能模塊的搭載問題，僅僅討論并設(shè)計一種合理可 行、盡可能優(yōu)化了的五自由度液壓搬運機械手。 2.2總體方案分析 2.2.1搬運機械手的組成 控制系統(tǒng) —? 驅(qū)動系統(tǒng) ―? 執(zhí)行系統(tǒng) 圖2-1組成框架圖 參考諸多的搬運機械手的設(shè)計理念，以及對于本題目一一

12、五自由度搬 運機械手的理解，現(xiàn)將總體分為五大部件，分別為：大臂升降結(jié)構(gòu)、大臂 回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、伸縮臂結(jié)構(gòu)、小臂伸縮結(jié)構(gòu)、手爪回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、手爪伸縮結(jié)構(gòu)。 2.2.2三大系統(tǒng)設(shè)計分析 1 ?控制系統(tǒng) 此系統(tǒng)是控制驅(qū)動機構(gòu)工作從而實現(xiàn)按預定程序進行工作的機構(gòu)，并 通過位置檢測的反饋來檢測工作的精度，從而保證能正確實現(xiàn)機械手的運 動，迅速準確的完成機械手的運動，包括程序控制部分和行程反饋部分。 2 ?驅(qū)動系統(tǒng) 用來為各個部件的運動提供動力，是實現(xiàn)一切運動的動力來源，有氣 動、液動電動和機械式四種形式，根據(jù)設(shè)計要求和各自的優(yōu)點和缺點，本 機械手采用液壓驅(qū)動實現(xiàn)，五個自由度。 3. 執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行機

13、構(gòu)是完成各種動作的總稱，具體包括以下幾個部分 (1) 手部：直接與工件接觸的部分，根據(jù)設(shè)計要求，本機械手的手部 用夾鉗式，用來抓取工件，或用來支撐焊條，噴槍(手部用法蘭連接，可 以拆換，更換手部，以滿足工作需要) (2) 腕部連接手部和臂部的工件用來調(diào)整被抓取物體的方位 (3) 臂部：支撐被抓物體的手部和腕部的重要部件，帶動手指去抓 取物體，并按預定要求將其搬運到指定位置。 (4) 腰部:機身是支撐機器手所有部件的部位及其零件，是整個機械 手的基礎(chǔ)。 2.3搬運機械手的運動及驅(qū)動方式 1 .機械手的運動 機械手的運動包括自由度數(shù)和運動范圍 本機械手采用雙抓，這是因為它具有以下優(yōu)

14、點： (a) 運動靈活 (b) 工作空間大 (c) 關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封，防塵 (d) 作效力大大的提高了 (e) 工作要求低 2. 自由度數(shù) 自由度是機械手設(shè)計中的重要參數(shù)，每個運動部件所具有的獨立運動 的數(shù)目稱為自由度，自由度是衡量機械手設(shè)計水平的重要指標，自由度越 多的機械手能完成的運動越復雜，技術(shù)難度越大，控制定位越困難，安裝 越復雜，成本高，因此在具體問題中盡量減少自由度，本機械手是考慮到 選用腕部來回轉(zhuǎn)，小臂伸縮，小臂俯仰，大臂回轉(zhuǎn)，大臂升降等 5個自由 度完全滿足工作要求。 3. 運動范圍 關(guān)節(jié)3結(jié)構(gòu)的運動范圍和形狀取決于大臂和小臂的長度比，本機械手 大臂長60

15、0mm，小臂長800mm，具體范圍見后圖。圖中矩形為包容區(qū)域 圖2-2機械手水平面的運動范圍 4 ?運動傳動方式 運動傳動方式是將動力源的運動傳遞到實現(xiàn)自由度運動的過程，本設(shè) 計中將直線油缸的直線運動轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)運動傳遞出去，針對結(jié) 構(gòu)的需要和驅(qū)動力的大小，各自由度的運動采用不同的傳遞方式，大臂回 轉(zhuǎn)，腕部回轉(zhuǎn)都采用回轉(zhuǎn)油缸，小臂俯仰、小臂伸縮、大臂升降都采用直 線油缸。 5. 機械手的驅(qū)動方式 采用液壓驅(qū)動的優(yōu)點是： (1) 速度反映性好；因為被驅(qū)動部件的速度快慢取決于油液容 積變化，所以當不考慮溫度變化的時候，被驅(qū)動系的滯后 幾乎不存在，而且液壓機構(gòu)的重量

16、輕，慣性小，他的速度 反應性好。 (2) 調(diào)速范圍大，還可以無極調(diào)速，適用于不同的工作要求。 (3) 傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)比較頻繁而平穩(wěn)換 向。 (4) 在產(chǎn)生相同驅(qū)動力的條件下，液壓驅(qū)動比其他驅(qū)動方式體 積小， (5) 定位精度高 (6) 驅(qū)動力或力矩大 存在的不利因素有： (1) 液壓系統(tǒng)存在泄漏對機構(gòu)的穩(wěn)定性有一定的影響 (2 )油液中如果混有空氣將降低傳動機構(gòu)的剛性，影響定位精 度，產(chǎn)生爬行 (3)油液的溫度和黏度的變化影響傳動的性能 2.4本章小結(jié) 本章對總體方案的設(shè)計進行了確定，規(guī)劃了搬運機械手的三大組成部 分，進而對三大組成部分進行了設(shè)計分析，確定

17、了搬運機械手的運動方式 及其驅(qū)動源，設(shè)計了運動范圍及回轉(zhuǎn)角度，對液壓驅(qū)動方式的優(yōu)缺點進行 了比較。 15 第3章基本參數(shù)及二維外觀圖 3.1基本參數(shù) 1. 名稱：工業(yè)機械手 2. 主要用途：搬運 3. 自由度數(shù)：5 （腕部轉(zhuǎn)動、小臂伸縮、小臂俯仰、大臂回轉(zhuǎn)、大臂 升降） 4. 抓重：最大5Kg 5?工作范圍與速度 工作范圍與速度如下表 3-1 運動自由度 動作范圍 速度 腕部回轉(zhuǎn) -90 ° - — 90° 45° /s 小臂伸縮 0— 300mm 0.05m/s 小臂俯仰 0— 100mm 0.05m/s 大臂回轉(zhuǎn) -90 ° - — 9

18、0° 15° /s 大臂升降 0— 120mm 0.05m/s 6. 控制方式：PTP/CP 7. 重復定位精度：+2mm 8. 驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動 9. 驅(qū)動源：液壓油泵 3.2總體外觀圖 3.2.1外觀圖簡圖 圖3-1機械手結(jié)構(gòu)簡圖 1—手腕 2—小臂 3—俯仰缸 4—大臂 322液壓原理設(shè)計圖截圖 圖3-5液壓控制工作原理圖 表3-2電磁鐵動作循環(huán)表 1TA 1TA 4TA 他 UT1 11TA 13TA 14T1 ■ -

19、 — + t ■+ + - 4- - — t r + ? 村Ml + - mi + ■ + r ■ ■

20、 ■ * ■ - - - — 現(xiàn)將本機械手的工作順序過程介紹如下： （1） 電磁鐵11通電，大臂旋轉(zhuǎn)油缸順時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)大臂周向定位 （2） 電磁鐵9通電，大臂升降油缸伸出，實現(xiàn)大臂軸向定位 （3） 電磁鐵7通電，伸縮臂伸縮缸伸出，實現(xiàn)伸縮臂軸線定位 （4） 電磁鐵5通電，小臂伸縮缸伸出，實現(xiàn)小臂的軸向定位 （5） 小臂到達伸出一定距離，碰到行程開關(guān) 14,之后將電磁鐵3接 通實現(xiàn)手爪旋轉(zhuǎn)缸體的運動。 （6） 電磁鐵3通電，手爪旋轉(zhuǎn)缸順時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手爪的周向定位 （7） 電磁鐵1通電，手爪伸縮缸伸

21、出，實現(xiàn)手爪的軸向定位 （8） 手爪抓取工件，工件與手爪夾緊到一定壓力，壓力繼電器通電 使得電磁鐵1斷電，電磁鐵2通電手爪收縮，實現(xiàn)手爪的軸向 定位。 （9） 電磁鐵4通電，手爪旋轉(zhuǎn)油缸逆時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)手爪的周向定 位。 （10） 電磁鐵6通電，小臂伸縮油缸回縮，實現(xiàn)小臂的軸向定位。 （11） 電磁鐵9通電，伸縮臂回縮，實現(xiàn)伸縮臂軸線定位。 （12） 電磁鐵11通電，大臂升降油缸下降，實現(xiàn)大臂軸向定位。 （13） 電磁鐵13通電，大臂旋轉(zhuǎn)油缸逆時針旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)大臂周向定 位。 在參考了眾多機械手手部的結(jié)構(gòu)后，結(jié)合自己的設(shè)計要求，現(xiàn)在設(shè)計 出如上圖的液壓機械手及其驅(qū)動液壓原理裝置。下

22、面介紹各個液壓缸體的 設(shè)計計算及其型號的選用，機械人手部結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計都有如 下幾點基本要求： （1 ）應具有足夠的夾緊力和驅(qū)動力，手爪握力（夾緊力）大小要適 宜，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟；力量過小則會產(chǎn)生松 動、脫落。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應考慮傳送或操作 過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證夾持安全可靠； （2） 手爪具有一定的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉(zhuǎn)過的 角度）。 （3） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強度的前 提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。 3.3本章小結(jié) 本章對機械手的基本參數(shù)進行了確

23、定，并且繪制出了總體外觀圖及液 壓原理圖，同時對液壓原理圖的工作原理進行了電磁鐵的動作表繪制，對 工作周期做了具體介紹。 第4章各部分的具體計算 4.1手部夾持器的計算 4.1.1手部夾持器設(shè)計要求 1. 設(shè)計要求 夾持兩個棒料，每個不大于5kg 2. 各部分的長度 手腕： 300mm 手臂： 800mm 俯仰小臂：200mm 大臂： 500mm 3. 手抓機構(gòu)分析 手部夾持器是工業(yè)機械手的關(guān)鍵部位之一，它的主要用途是夾持工件 或工具按規(guī)定的動作程序來完成制定的工作，它的加緊和伸開都是自動完 成的。 手部夾持器應具有以下幾點： （a） 足夠的夾緊力 （b） 保證工件

24、在手指的準確定位 （c ）能適應工作環(huán)境所提出的要求 （d）保證在強度和剛度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重輕。 抓起范圍：20毫米到50毫米的圓柱體工件其抓取原理圖如下： 1—鉸接點 2 —手指 3—工件 4.1.2手部夾持器設(shè)計計算 進分析可知，此手抓作單支點運動，由此可知: P 2cos a 2R cosa Pi (4-1) 力矩平衡: Pi Pi 25 N 50 N=100 P 2 (4-2) P2 (4-3) 夾緊力: K1K2K3G =1.5 2 0.5 100 =150 P=2 P =4N=600 (N) P P實 =560

25、(N) (4-4) 設(shè)液壓缸直徑為 Ki為安全系數(shù)：1.1-1.2取Ki為=1.5 K2=1+a/g （抓取工件的最大加速度為 K3為方位系數(shù) K3=0.5 P實=56kg D、d為半徑。 a=g) P實=n( D2-d2) P 4 (4-5) N KK&GKiP實D Pi( 1-0.5 2) 16mm 取D為20mm,所以d為10mm，壁厚取10 mm。 (4-6) 4.1.3端蓋螺釘校核 彈簧剛度: 彈簧總長: 油的工作壓力: k=3.53 n/m，行程：15mm 30mm,活塞桿總長為60mm 2 Pi=13kgf/cm 預緊力: 總拉長:

26、 Q = KQ 1.6Q Q=QP+ Cb 小 PA Q ——60.2kgf 4 96.3kgf C+Cm)"111.4? (4-7) 哈爾濱理工大學學士學位論文 相對剛度: 所以： b =0.25,總拉力需增加30% (Cb +Cm) (4-8) s s為普通碳素鋼A3鋼，s 240MPa 安全系數(shù)N，由于是靜截面，取 N = 1.5 所以：d, 8 mm 完全符合要求。 4.2腕部回轉(zhuǎn)油缸計算 腕部是臂部和手部的連接部位，其作用實在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步 改變手部或調(diào)整手部在空間的方向，從而增加手部工作的靈活性，擴大手 部的工作范圍。 本設(shè)

27、計將運用回轉(zhuǎn)油缸來驅(qū)動，設(shè)計時我將考慮以下幾點： a、 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕 b、 動作靈活平穩(wěn) c、 保證有足夠的剛度和強度 1.腕部回轉(zhuǎn)時所需的驅(qū)動力矩 M驅(qū)二M偏+ M封M回 如下圖所示： 圖4-2腕部驅(qū)動力矩計算圖 除工件以外，將擺動體等效為一直徑 D=70mm,長為200mm的圓柱 體。貝U重量 m=pv =p n D2L/4 (4-9) =6kg 取物重10kg平均直徑D=50mm， XVII 哈爾濱理工大學學士學位論文 42 貝U由 G=mg=pvg 所以：L=4m / p n D2 = 653mm 將手部等效為150m

28、m,直徑為60mm的圓柱體，則 m=pv=3.3kg 2.克服啟動慣性所需力矩 (4-10) 其中: M 慣 0.017（J+J工件）— t起 (4-11) J=1((12 + 3 R2)+mx2 0.21kg.m2 J 工件=12(12 + 3R2) + mx2=2.1kg.m2 所以：M 慣 0.017（J+J工 件）一 t起 =9.14kgf.m 3. 克服由工件，擺動體重心偏移所需力矩 M偏=m工件I工件+m手I手 =10 0.25 +3.3 0.03 =0.35kgfm 4. 密圭寸裝置處的摩擦力矩： 1 2 M封=M封+ M封 公式中： M封1

29、 = bb1RP M 封2 3 b（R-r） PRcp (4-⑵ (4-13) 腕部擺動時受力圖如下 圖4-3腕部擺動受力圖 0.15 b 50mm b| 5mm R 45mm r 20mm 其中 則 Rep p 取 10MPa （4-14） （4-15） 32.5mm 1 M 封=14.5mm 2 M 封=6.2mm 1 2 M 封=M 封 +M 封=20.7mm=2.2 kgfm 5. 回轉(zhuǎn)油

30、缸回轉(zhuǎn)油腔的背壓力反力矩： D/2 2 2 M 回二 d/2 bP回 dp=b/2 （R - r ）p回 其中：取 P 回=1MP b=60mm R=35mm r= 20mm 2 2 貝U : M 回二 d/2 bp回dp=b/2 (R - r )p回 =24.5=2.5kgfg 6. 總驅(qū)動力矩： M驅(qū)=M偏+M封 M回 M慣 =0.36 +9.14 +2.2 +2.5 =14. 19kgf 2 2 M 驅(qū)-口 220.5kgf 8 則 M驅(qū) M驅(qū) 所以：所設(shè)計的相關(guān)尺寸滿足，強度要求合理 7. 缸蓋連接螺釘計算： Qs = Q +Qs' Q=P

31、/Z= n( R2 -r2 ) p/3Z Qs : Q : Qs': P : P : Z : 則代入已知數(shù)據(jù)知： 所以： 螺釘?shù)膹姸葪l件為: 所以： 每個螺釘在危險截面上承受的拉力 工作載荷 預緊力 驅(qū)動力 工作油壓 螺釘數(shù)目取6 Q=P/Z =n( R2 -r2 ) p/3Z =1327 N Qs' =1.3Q=1725N Qs = Q +Qs' =3025N =1.3Qs =n d12/4 ’ (1.3 4Qs dl J - 查取機械工程手冊第 5冊，取螺釘工程直徑為 6mm 8.動片與輸出軸連接螺釘計算: 動片與輸出軸連接方式

32、如下圖: 如圖4-4動片與輸出軸連接圖 1 —動片 2 —輸出軸 3 —定片 依動片所受力矩的平衡條件： bp(R2 r2) M 摩 QZfr (4-16) 2 2 Q=bp(R r ) =2Zfr 式中： Q—每個螺釘?shù)念A緊力 P—油壓 B—動片寬度 Z—螺釘數(shù)目 F—被連接件配合面處摩擦系數(shù)取 0.15 螺釘?shù)膹姸葪l件為: 1.3Qs (4-17) 所以： di 將以上數(shù)據(jù)代入公式得: n d /4 Q=15225.4N 螺釘材料選用40Cr,

33、查取相關(guān)資料, =400MPa 則： di (寧“ =7.1mm 查取《機械手冊》，取螺釘工程直徑為：8mm 4.3小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 1. 伸縮缸的設(shè)計 做水平伸縮直線運動的油缸的驅(qū)動力 P Pb 蔭 F回 Pts 式中： P摩一摩擦阻力，手臂運動，運動表面間的摩擦力 P密 —密封圈處的摩擦阻力 P回 —油缸回油腔低壓油液所造成的阻力 P慣一啟動或制動時所受的平均慣性力 (a) P摩的計算 由于活塞桿與液壓缸的相對運動，它們將產(chǎn)生一定的摩擦 如下圖： 得: 如圖4-5受力尺寸圖 G 總二 ARb 總、 ma(F)0 P P密 P摩 Pm p(m G總 Rb=

34、Ra Ra = - a G總 a P摩=Pa摩 +Pb 摩 (4-18) =u'Ra +u'Rb P摩 =u G總 (2|+a) a G總一參與運動的零件的總重量 L —重心導向支撐前端距離 a —支撐長度 u'—當量摩擦系數(shù)u'為(1.27~1.57)取1.4 由前面的計算可知，手爪夾緊油缸，腕部回轉(zhuǎn)油缸的總重量為： Gi =( 3.3 + 6.0 ) = 93 N G2 = 100N G 總=G + G2=193 N 帶入數(shù)據(jù)知，所以: (b)P密的計算： P摩 = u' G總 L = 450 mm (2l a) a a = 60 mm

35、P摩 = 23.0 kgf P密與所用的密封的形狀有關(guān)，選用 o”型密封圈密封 P密=P密1 + P密2 + P密 1 + P密 2 = 0.03P 式子中P為驅(qū)動力 P密3 = np n di p 為工作壓力 (kgf/ cm3 ) U=0.05 ~0.023 l —密封的等效的長度1 (cm) d 伸縮管直徑 所以：P密 3 = 50.24 kg 從而：P密=50.24 + 0.03 = 50.27 kg (c) P回的計算： 背壓阻力較小，可以按下列公式計算 P回=0.05 P (d) P慣的計算: (4-19) G總參與運動的零部件g取10

36、kg / N V —由靜止加到常數(shù)的變化量取 0.05 m / s t —運動時間 (s) —般取0.01~0.5 s 取t=0.5 s 所以： 從而： g t =0.20 kgf 2. 液壓缸尺寸的確定: 液壓油缸內(nèi)徑的計算 當油液進入有桿腔時: =78.4 kgf 式子中: P P1 d P =P2 =P n (D2-d2) 4 驅(qū)動力 油缸的工作壓力 活塞桿直徑 D ――油缸內(nèi)徑 ――油缸機械效率，取0.95 d的確定： 由于該活塞桿與臂部相連，當活塞桿移動到右端最大距離時，活塞桿 端蓋處處于最大彎曲應力，活塞桿必須滿足最大彎曲應力

37、作用，活塞桿彎 曲應力如下： 式子中: 其中: 又因為: 式子中: =193 0.45 =86.85 N Max—最大彎曲應力 L—重心最大距離 G—臂部重力 .3 n d W = 32 W—抗彎截面系數(shù) d—橫截面直徑 由彎曲的強度條件： (4-20) 所以: 得: 查《機械設(shè)計手冊》P368 , 選取 材料45# = 300 Pa 帶入數(shù)據(jù)知道： d 16.6 mm ,4P p n d4 \ n pd2 =24.4 mm 考慮到制造時的總體尺寸和多種用途，取內(nèi)徑為： D=70mm d = 40 mm 壁厚可以根據(jù)《機械設(shè)計手冊》 艮3，表4

38、-4,取 =10mm 3. 端蓋螺釘?shù)膹姸刃：? 取螺釘為M8,每個螺釘所受的力為 o 式子中: 螺釘?shù)膹姸葪l件為: 0 = + s —工作載荷 s —預緊力 = Pg/Z =78.4/8.6=13.1 kgf s=k = 1.6 0= + s=34.1 _ 4Qj 合一 r n d 1 合=88.24 kgf/ cm 13.1=21.0kgf kgf 二」二 2400 =1200kgf/cm 3 —材料的屈服極限 所以: n —安全系數(shù) 即是取M8合格。 4.4俯仰缸設(shè)計 俯仰缸能使其手臂上仰下俯，使手臂的抓取范圍大大得到提高，設(shè)置 一個俯仰缸，還

39、可以使機械手得到重量上的平衡，使本機械手更加的穩(wěn) ^定。 1 ?本機械手臂上下活動的范圍為 30度，以下為俯仰缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 圖4-7俯仰缸設(shè)計 1 —底座 2 —大臂 3 —小臂 4 —俯仰缸 L| 124mm 活塞總長 L2 80mm 活塞桿內(nèi)部工作的長度 L3 100mm 手臂機構(gòu)受力圖如下: 「 斗00 木丘 | §0^ —俯缸 GfflSL 如圖4-8手部機構(gòu)受力圖 設(shè)：驅(qū)動力為P,則經(jīng)過計算： (F)=0 32 400 -2.2 124 -9.2 80 -P 124 =0 P = 95.1kgf 所以：取油缸內(nèi)徑為32mm，活塞直徑為20mm

40、缸臂為7.5mm,缸蓋四顆雙頭螺柱 M6 2. 雙頭螺柱的校核： 式子中： 螺釘?shù)膹姸葪l件為: —工作載荷 預緊力 =%/ Z =61.8 kgf 4Qj 合二 F 3 cm n d 1 合=7.64 kgf / 二」= ^00=1200kgf/cm 所以: 即是取M8合格 s —材料的屈服極限 n —安全系數(shù) 4.5大臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計 大臂是整個機械手的支撐部件，能實現(xiàn)機械手的大范圍的回轉(zhuǎn)，設(shè)計 時應該注意以下幾點： 1. 要有足夠的承載力 2. 要有足夠的剛度和強度 3. 要結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，盡量減少偏心力矩 大臂回轉(zhuǎn)示意圖如下:

41、 如圖4-9大臂回轉(zhuǎn)示意圖 大臂回轉(zhuǎn)時的力矩： M驅(qū)=M慣+ M封+M回 1. 密圭寸裝置處的摩擦力矩：、 M封=M封 M封 式中： M封 bbRP M封 3 0(R r)PRcp 臂部擺動時受力圖如下： 其中: 則: 圖4-10大臂擺動時受力圖 =0 .15mm b= 50mm R= 45mm RCP M封 r = 20 mm p d =5mm 取 10MPa 32.5mm bb]RP=2.0 kgfm M

42、封 3 b(R r)PRcp=3.2 kgfm M 封=M 封 M 封=5.2 kgfm 2. 求手臂重心到轉(zhuǎn)軸的距離： 手臂結(jié)構(gòu)受力圖如下： 400 4-11手臂結(jié)構(gòu)受力圖 Mo(F)=0 )=G申缸(124 +)+G 俯缸(80 + ) )=2.2 ( 124 + )+9.2 ( 80 + ) 設(shè)重心于、0 '處，則有: G( 400 32 ( 400 G、=9.2+32+2.2=43.4kgf 手臂可以近似看成一根桿： L=800mm G 2 J0=Jz+ g =1/12+43.4 O.g+43.4 0.7202^/10 =8.4

43、kgm2 n W 180/180 — =0.36rad/s 5 t =0.5s 所以： M 慣=J0 =6.05rad/s 3. 回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)油腔背壓力反力矩： D M 回=d2 bp回 dp=b/2 (r2 - r )卩回 2 其中： p 回=1MPa b=80mm R=50mm r=20mm 則： M 回=b/2 (R 2 - r2 )卩回=5.54 kgfm 4. 回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑的計算 M驅(qū)=M驅(qū) M驅(qū)二pb (D2- d2) /8 其中 d=4mm 95mm 5. 雙頭螺柱的校核： 式子中: 0 = + s —工作載荷

44、 S—預緊力 =P驅(qū) / Z = 91.5 kgf 螺釘?shù)膹姸葪l件為： -4Qj 合 72- n d i 3 合=10.53 kgf / cm 所以: 二」二 2400=1200kgf/cm 3 ,即是取M8合格 4.6大臂升降結(jié)構(gòu)設(shè)計 大臂是整個機械手的支撐部件，能實現(xiàn)機械手大范圍的升降，設(shè)計時 應注意以下幾點： (1) 要有足夠的承載力 (2) 要有足夠的剛度和強度 (3) 要結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕 1. 受力圖如下： F/2 1 F/2 [P上 圖4-12大臂受力圖 G—升降油缸個部件的重力 f —摩擦力 P上一上升驅(qū)動力 G=G臂+ G俯+ G伸+

45、G空+ G桿 G臂=5.3 kgf G 桿=2.56 kgf G 俯 + G 伸 + G 空=43.4 kgf G = 43.4 + 5.3 + 2.56 =51.26 kgf 根據(jù)力矩平衡方程： G + f = P上=51.26 / (1-0.1) =57.0 kgf P驅(qū)二kP上k 為安全系數(shù)k=1.5 P驅(qū)=57.0 1.5 = 85.4kgf 2. 油缸的內(nèi)徑計算： 由式子: 4P pn d4 \ n pd2 =61.8mm 所以取D為110mm , d為60mm 3.螺釘?shù)男：耍? (4-21) 式子中: 0 = + s —工作載荷 s—預緊力

46、 =仔驅(qū) / Z = 8.41 kgf 螺釘?shù)膹姸葪l件為： _ 4Qj 合=二^ n d 1 合=1.108 kgf / cm3 二」二 240° =1200kgf/cm 3 所以: 合 ,即是取M8 合格 s—材料的屈服極限 n —安全系數(shù) 直到現(xiàn)在，本設(shè)計的機械手的機構(gòu)尺寸基本確定，其移動將根據(jù)實際 應用要求適當調(diào)整。 4.7手部驅(qū)動油缸油孔尺寸計算 油的流速為3m/s 活塞運動速度v取0.05m/s , 則油缸中每秒通過油量為： Q=VS =0.05 =13.2 則油孔中每秒通過的流量： 202 n 6 10 4 -6 3 10 m 、n

47、d2 Q 所以： 得 所以取油孔尺寸為 n d2 d =3.02mm 4mm 4.8腕部回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 油缸每秒進入油量： (R r2) 2 （為45度每秒） =55.6 而油孔每秒流入的流量: 10-6 所以: n d2 Tv油 q' n d2 Tv油 d=「4Q =3.24mm 取油孔尺寸為：4mm 4.9大臂回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 油缸每秒進入的油量： Q 2 2 (R r ) =87.6 l (為15度每秒) 10-6 m3 (4-22) 而油孔每秒流入的流量: n d2 由： 所以:

48、Q Q =5.8mm 取油孔尺寸為：6mm 4.10大臂升降油缸油孔尺寸確定 活塞運動速度v取0.05m/s油的流速為3m/s 則油缸中每秒通過油量: 20 n VS 0.05 - 4 =141.37 10-6 10-6 3 m (4-23) 而油孔中每秒通過的流量: Q n d2 4 =7.8 mm 所以取油孔尺寸d為8mm 4.11伸縮臂油缸油孔

49、尺寸確定 活塞運動速度v取0.05m/s油的流速為3m/s 則油缸中每秒通過油量： Q VS 0.05 -6 =62.5 106 202 4 3 m 冗 6 -10-6 Q =5.01mm v油 所以: 而油孔中每秒通過的流量: n d2 4 Q' 所以：取油孔尺寸d=6mm 4.12本章小結(jié) 本章對各個部分的具體數(shù)據(jù)進行了計算，包括手部夾持器、腕部回轉(zhuǎn) 油缸，腕部伸縮油缸、小臂伸縮油缸、大臂回轉(zhuǎn)油缸、大臂升降油缸、伸 縮臂油缸的型號選擇，及其各個油缸的活塞、活塞桿計算，各個油缸進出 油口尺寸的確定。 第5章各油缸活塞

50、桿校核 5.1手部驅(qū)動油缸活塞桿校核 1.壓強校核： (5-1 ) P 500 2 2 n d /4 n 0.01 /4 =63.7MPa 碳鋼 取 100 ~120 MPa 所以： 強度條件滿足。 2.穩(wěn)定性校核： 條件： P旦 (5-2) 其中Pk——臨界力； nk取2~4 ; — 取 0.5 , L 取 40mm 則: =d/4 = 5mm -=4< 2 =60 5.2腕部回轉(zhuǎn)油缸活塞桿校核 在本設(shè)計中，手爪夾緊油缸腕部等效成一個圓柱體，由上面的論述可 知，該圓柱體重量是33N。 所以： G G1 G 工件=133N 腕部活塞桿受力圖如下

51、: 「歹 弋\ 70 — ■ 80 : Pb 圖5-1腕部活塞桿受力圖 F=G=133N，相應產(chǎn)生的彎矩為 M=GL=15.6Nm 則應力強度校核: 先求支反力 由 得： MA 0 , MB 0 PA 80 F 70 PA 80 F 70 F=- 123 N 所以： Pa=-116N 同理可求得： PB = 249 N MC M =15.6Nm 所以按第三強度理論校核： 2 WC n d /32 = 98.1 10 9m3 MC c= C=0.159MPa WC 而： = -°=294MPa >> c n 所

52、以軸強度條件符合。 5.3伸縮油缸活塞桿校核 1.按強度條件校核： P 廠=0.624MPa n d2/4 查表15— 1得到： 所以： =650MPa 活塞桿強度條件滿足。 2.穩(wěn)定性校核： 桿長I為300mm，桿徑d為40mm 因為 即： 300< 15 40 = 600 l< 15d 所以：不必校核，穩(wěn)定性合格 5.4俯仰油缸活塞桿校核 1?活塞桿的校核： 2 =0.28 MPa n d2/4 查表15— 1得到： =650MPa 所以： 活塞桿強度條件滿足。 2.穩(wěn)定性校核： 桿長I為200mm ， 桿徑d為30mm 因

53、為 200< 15 30 = 450 即： l< 15d 所以：不必校核，穩(wěn)定性合格。 5.5本章小結(jié) 本章設(shè)計的主要內(nèi)容是對各個油缸的活塞桿進行了強度校核 6.1總體三維圖 第6章 總體三維圖 經(jīng)過以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計，總體外觀圖的規(guī)劃，液壓系統(tǒng)的設(shè)計及其調(diào) 試，現(xiàn)繪制出五自由度液壓搬運機械手的總體外觀三維圖如下： 圖6-1總體主視圖 圖6-2 一定角度總體視圖 圖6-3手爪放大圖 6.2本章小結(jié) 經(jīng)過以上幾

54、章的方案確定、設(shè)計分析、校核計算，本章最終對總體效 果圖進行了三維圖的繪制，其效果如上。 結(jié)論 在社會的發(fā)展中，人類追求效率的提高，離不開機器人的幫助，機械 手作為機器人重要的一部分，關(guān)系著機器人發(fā)展的步伐快慢。本文以搬運 機械手為例論述了有關(guān)機械手設(shè)計方面的一些問題，得出以下結(jié)論： 首先，理論分析方面，注重理論與實際相結(jié)合，考慮到各種驅(qū)動的優(yōu)缺 點，最后選擇了液壓系統(tǒng)驅(qū)動，因為液壓系統(tǒng)驅(qū)動具有以下幾個優(yōu)點： （1） 能方便的進行無級調(diào)速，調(diào)速范圍大。 （2） 體積小、重量輕、功率大。 （3） 控制和調(diào)節(jié)簡單、方便、省力；容易實現(xiàn)自動化控制和過載保護。 （4） 可以實現(xiàn)無間隙運動，

55、運動平穩(wěn)。 （5） 因為傳動介質(zhì)為油液，故液壓元件有自我潤滑的作用，使用壽命 長。 （6） 液壓元件實現(xiàn)了標準化、通用化，便于設(shè)計、制造和推廣使用。 （7） 可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達直接帶動負載，從而 省去了中間的減速裝置，使得傳動簡單化。 其次，結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，綜合考慮外形美觀、結(jié)構(gòu)小巧、實用性、剛 度、強度等諸多因素。設(shè)計為 5自由度的機械手，分別為：手腕的轉(zhuǎn)動、 小臂的伸縮、小臂的俯仰、大臂的擺動和大臂的升降，使其活動范圍大， 工作面更廣。 最后，通過個方面的校核，該機械手最大的抓取重量為 10千克棒料, 壽命長、效率高且抓取動作準確，是很實用的搬運機械手。

56、致謝 通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文《五自由度液壓搬運機械手》終 于完成了，這意味著大學生活即將結(jié)束。在大學階段，我在學習上和思想 上受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學和朋友的關(guān)心、支 持和鼓勵是分不開的。 在本論文的寫作過程中，我的導師唐德棟老師傾注了大量的心血，從 選題到開題報告，從總體結(jié)構(gòu)設(shè)計到關(guān)鍵部件的選擇，再到一遍又一遍地 指出每此設(shè)計圖中的具體問題，嚴格把關(guān)，循循善誘，相信老師的這些極 具價值的指導思想會一直有益于我以后的生活和學習，在此我表示衷心感 謝。同時我還要感謝在我學習期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān) 心我的同學和朋友。 寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學

57、習的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意 味著新的學習生活的開始。我將銘記我曾是一名哈爾濱理工大學的學子， 在今后的工作中把薄厚悠遠的優(yōu)良傳統(tǒng)發(fā)揚光大。 感謝各位導師的批評指導。 哈爾濱理工大學學士學位論文 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 XL 參考文獻 蔡鶴皋?機器人將是21世紀技術(shù)發(fā)展的熱點[J] ?中國機械工程, 2000, 11(1):58. 安永植，姜國超?工業(yè)機器手機構(gòu)的研究[J].機器人，1994:1-24. Trovato S,章成光.CECIL通過蒸汽發(fā)生器管間進行檢

58、查和沖洗 [J].國外核動力,1996, 17(6): 59— 62. 羅均，趙波，呂恬生.纜索1號機器人樣機機構(gòu)的分析及試驗[J].中 國機械工程，2001, 12 (2): 121- 122. 丁彩紅，趙增梁，李恩光.升降機械手的原理性設(shè)計 [J].機械與電 子，2001, (6): 119-163. [J].機械設(shè)計與 [J].高技術(shù)通 唐宗軍，周洪波.管道橫孔去毛刺機器人系統(tǒng)的設(shè)計 制造，2007, (10): 14. 安永植，郭偉，姜國超.蠕動式管外移動機器人模型 訊，1994, 4(11): 88-103. 朱駿.移動機器人操作機械手設(shè)計與分析[D].南京：南京理

59、工大 學，2006. 馬香峰.機器人機構(gòu)學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991: 23-59. 鄧宗全許馮平.一種新型管外旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的設(shè)計研究 [J].機械設(shè)計, 2004(6): 75-91. 王承義.機械手及其應用[M].北京：機械工業(yè)出版社，1981: 55- 76. 蔡鶴皋.機器人將是21世紀技術(shù)發(fā)展的熱點[J].中國機械工程, 2000, 11(1): 58. 萬興獎，王鐵軍，常恒毅.一種折疊式機器人[P].中國專 利:952262290. 1996-10-2. 宋佐時，易建強，趙冬斌.移動機械手控制研究進展[J].機器人， 2003, 25 (5):445.

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61、3, Number 4, 2006: 291 - 297. 宋巖.一種尺蠖式爬行機器人的研究[J].機械設(shè)計與制造，2008, 1: 77. 哈爾濱理工大學學士學位論文 18 李昱.細小工業(yè)管道管外機器人系統(tǒng)[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2003, 3: 21. 19 楊恩霞.機械設(shè)計[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2006: 225. 20 周四新.PRO/ENGINEER Wildfire 2.0實例教程[M].北京：機械工業(yè) 出版社，2005: 7-143. 48 附錄 Robot is a type of mechantronics equipment

62、 which synthesizes the last research achievement of engine and precision engine, micro-electronics and computer, automation control and drive, sensor and message dispose and artificial intelligence and so on. With the development of economic and the dema nd for automatio n con trol, robot tech no lo

63、gy is developed quickly and all types of the robots products are come into being. The practicality use of robot products not only solves the problems which are difficult to operate for huma n being, but also adva nces the in dustrial automatio n program. At prese nt, the research and developme nt of

64、 robot invo Ives several kinds of tech no logy and the robot system con figurati on is so complex that the cost at large is high which to a certain extent limit the robot abroad use. To development economic practicality and high reliability robot system will be value to robot social application and

65、economy developme nt. With the rapid progress with the control economy and expanding of the modern cities, the let of sewage is increasing quickly: With the development of moder n tech no logy and the enhan ceme ntof con scious nessabout en vir onment reserve, more and more people realized the impo

66、rta nce and urge nt of sewage disposal. Active bacteria method is an effective tech nique for sewage disposal The lacunaris plastic is an effective basement for active bacteria adhesion for sewage disposal. The abundance requirement for lacunaris plastic makes it is a consequent for the plastic producing with automation and high productivity. Therefore, it is very n ecessaryto desig n a mani pulator that can automatically fulfill the plastic holdi ng. With the analysis of the problems in the de