搬運機械手設計

X X學院畢業(yè)設計說明書課 題： 搬運機械手 子課題: 同課題學生姓名: 專 業(yè) 學生姓名 班 級 學 號 指導教師 完成日期 摘要隨著工業(yè)自動化發(fā)展的需要，機械手在工業(yè)應用中發(fā)揮著越來越重要的作用,從而大大的改善了工人的勞動條件,顯著的提高了勞動生產(chǎn)率,加快了實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的速度,本畢業(yè)設計主要敘述了機械手的設計計算過程 。首先，本文介紹機械手的發(fā)展歷程及重要意義，機械手的組成和分類，說明了自由度和機械手整體坐標的形式。同時，本設計也給出了這臺搬運機械手的主要性能、規(guī)格和參量。文章中介紹了搬運機械手的設計方法。全面的描述了搬運機械手的手部、腕部、手臂以及機身等主要部件的結構設計。通過此次機械手的設計,掌握了搬運機械手設計的主要步驟,對于cad軟件,力學的應用,電路的設計,等有了很大的提高。關鍵詞：搬運機械手、液壓傳動、手部、手腕、機身、結構目錄前 言4一 、緒 論51.1機械手的簡史51.2機械手的主要特點61.3對機械手的一般需求6 1.4機械手在生產(chǎn)中的應用61.5機械手的組成71.5.1執(zhí)行機構71.5.2驅動機構71.5.3控制系統(tǒng)分類71.6機械手的發(fā)展趨勢7二、 搬運機械手的總體設計方案92.1 機械手基本形式的選擇92.2 機械手的主要部件及運動92.3 驅動機構的選擇92.4機械手的技術參數(shù)列表9三 、機械手手部的設計計算103.1 手部設計基本要求103.2 典型的手部結構103.3 機械手手抓的設計計算103.3.1 選擇手抓的類型及夾緊裝置103.3.2 手抓的力學分析103.3.3加緊力及驅動力的計算123.3.4 手抓夾持范圍計算133.4 機械手手抓夾持精度的分析計算133.5彈簧的設計計算14四 、腕部的設計計算174.1 腕部設計的基本要求174.2 腕部的結構以及選擇174.2.1 典型的腕部結構174.2.2 腕部結構和驅動機構的選擇174.3 腕部的設計計算174.3.1 腕部設計考慮的參數(shù)174.3.2 腕部的驅動力矩計算174.3.3 腕部驅動力的計算184.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎?94.3.5 動片和輸出軸間的連接螺釘20五 、臂部的設計及有關計算22 5.1臂部設計的基本要求225.2 手臂的典型機構以及結構的選擇225.2.1 手臂的典型運動機構225.2.2 手臂運動機構的選擇235.3 手臂直線運動的驅動力計算235.3.1 手臂摩擦力的分析與計算235.3.2 手臂慣性力的計算245.3.3 密封裝置的摩擦阻力255.4 液壓缸工作壓力和結構的確定25六、 機身的設計計算276.1 機身的整體設計276.2 機身回轉機構的設計計算286.3 機身升降機構的計算316.3.1 手臂偏重力矩的計算316.3.2 升降不自鎖條件分析計算326.3.3 手臂做升降運動的液壓缸驅動力的計算336.4 軸承的選擇方案33總結與致謝38參 考 文 獻39前言機械手是用于再現(xiàn)人手的功能的技術裝置，是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。而在工業(yè)中主要應用于對物體的搬運為主要功能的機械手被稱為搬運機械手。機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項高新技術，并且已經(jīng)成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展非常的快，逐漸成為一門新興的學科機械手工程。機械手涉及到了力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術、單片機技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備。機械手也是機器人的一個非常重要的分支。它的優(yōu)點是可以通過編程來完成各種預期的任務，在構造和性能上有了人和機器人的各自優(yōu)點，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在服務中國現(xiàn)代經(jīng)濟有著廣泛而不可代替的作用。隨著機械手的發(fā)展和不斷改進，它的積極作用主要體現(xiàn)在；第一、它能部分的代替人工操作；第二、它能按照生產(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；第三、它能操作必要的機具進行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動條件，提高了勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因此，受到了很多國家的重視，投入大量的人力和財力來研究和應用。尤其在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合，應用更為廣泛。在我國近幾年也有較快的發(fā)展，并取得了很大的成績，深受機械工業(yè)的重視和歡迎。機械手是一種能自動控制并可從新編程以變動的多功能機器，它有多個自由度，可以搬運物體以完成在不同環(huán)境中的工作。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，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)品種。一、緒論1.1機械手的發(fā)展簡史現(xiàn)代工業(yè)機械手起源于20世紀50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化產(chǎn)品。機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。他的結構是：機體上安裝回轉長臂，端部裝有電磁鐵的工件抓放機構，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國機械鑄造公司在此基礎之上又制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為萬能自動。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉、俯仰，用液壓驅動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。1962年美國機械鑄造公司也試驗成功一種叫VersaTran機械手，原意是靈活搬運。該機械手的中央立柱可以回轉，臂可以回轉、升降、伸縮、采用液壓驅動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學、麻省理工學院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于1毫米。美國還十分注意提高機械手的可靠性，改進結構，降低成本。如Unimate公司建立了8年機械手試驗臺，進行各種性能的試驗。準備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到0.1毫米。德國機器制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機械手，采用示教方法編制程序。瑞典安莎公司采用機械手清理鑄鋁齒輪箱毛刺等。日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力研究機械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位多達50多個。1976年大學和國家研究部門用在機械手的研究費用42%。1979年日本機械手的產(chǎn)值達443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%60%的速度增長。使用機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預計到1990年將有55萬機器人在工作。 第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機械手具有感覺機能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機械手。第三代機械手（機械人）則能獨立地完成工作過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。隨著工業(yè)機器手（機械人）研究制造和應用的擴大，國際性學術交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學術交流活動開展很多。1.2 機械手的主要特點1）對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險、有害的操作，在長時間工作對人類有害的場所，機械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進行合理設計，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y構，機械手就可以在異常高溫或低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險環(huán)境中勝任工作。2) 機械手能持久、耐勞，可以把人從繁重單調(diào)的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。3）由于機械手的動作準確，因此可以把穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時又可避免人為的操作錯誤。4）機械手通用性，靈活性好，能較好的適應產(chǎn)品品種的不斷變化，以滿足柔性生產(chǎn)需求。5) 采用機械手能明顯的提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。1.3對機械手的一般需求機械工業(yè)中應用機械手的主要目的，一是解決生產(chǎn)過程自動化，二是改善勞動條件，降低勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。因此要求機械手成本低，品種多樣化，零件、元件系列化、通用化、標準化、性能化、性能穩(wěn)定可靠。一、降低機械手的成本為擴大機械手的使用范圍，必須降低機械手的成本。二、品種多樣化 為了適應不同工作的需要，應使機械手的品種多樣化，用機械手在更多的情況下代替手工勞動，進而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化，提高勞動效率，特別是那些工作比較單一、重復而且工作環(huán)境惡劣的工況下，更應該注意設計和使用機械手。三、零部件系列化、通用化、標準化 為了加速擴大機械手的應用領域，應縮短設計和制造時間，從而要求零部件的系列化、通用化、標準化，使得部分件之間具有通用和互換性，并且這些零部件能夠快速地進行組合成所需機器人。四、要求產(chǎn)品性能穩(wěn)定可靠機械手的一個重要指標之一，就是其性能穩(wěn)定可靠，因而就要設計合理，制造精確，原件穩(wěn)定。1.4 機械手在生產(chǎn)中的應用機械手是工業(yè)自動控制領域中經(jīng)常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作，如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程中的自動化已成為突出的主題。各行各業(yè)的自動化水平越來越高，現(xiàn)代化加工車間，常配有機械手，以提高生產(chǎn)效率，完成工人難以完成的或者危險的工作?？稍跈C械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)很大程度上不是連續(xù)的。據(jù)資料介紹，美國生產(chǎn)的全部工業(yè)零件中，有75%是小批量生產(chǎn)；金屬加工生產(chǎn)批量中有四分之三在50件以下，零件真正在機床上加工的時間僅占零件生產(chǎn)時間的5%。從這里可以看出，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。目前在我國機械手常用于完成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個生產(chǎn)工序；機械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。本文以能夠實現(xiàn)這類工作的搬運機械手為研究對象。1.5 機械手的組成 搬運機械手由執(zhí)行機構、驅動機構和控制機構三部分組成1.5.1 執(zhí)行機構 （1）手部 既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型（多為回轉型，因其結構簡單）。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負壓式或真空式的空氣吸盤（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構形式教多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。（2） 腕部 是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。一般腕部設有回轉運動再增加一個上下擺動即可滿足工作要求，有些動作較為簡單的專用機械手，為了簡化結構，可以不設腕部，而直接用臂部運動驅動手部搬運工件。目前，應用最為廣泛的手腕回轉運動機構為回轉液壓（氣）缸，它的結構緊湊，靈巧但回轉角度?。ㄒ话阈∮?2700）,并且要求嚴格密封，否則就難保證穩(wěn)定的輸出扭距。因此在要求較大回轉角的情況下，采用齒條傳動或鏈輪以及輪系結構。（3）臂部 手臂部件是機械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右旋轉、升降（或俯仰）運動。手臂的各種運動通常用驅動機構（如液壓缸或者氣缸）和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動較為多，受力復雜。因此，它的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度直接影響機械手的工作性能。（4） 行走機構 有的工業(yè)機械手帶有行走機構，我國的正處于仿真階段。1.5.2 驅動機構驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。1.5.3 控制機構在機械手的控制上，有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機控制，采用凸輪、磁盤磁帶、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標位置，并注意其加速度特性。1.6機械手的發(fā)展趨勢(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)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;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，便于標準化、網(wǎng)絡化;器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構: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來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。(5)虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用已從仿真、預演發(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。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。(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用的領域。我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件，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)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應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:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產(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)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，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)化前期的關鍵技術，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，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，6000m水下無纜機器人的成果居世界領先水平，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、聲覺等基礎技術的開發(fā)應用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎。但是在多傳感器信息融合控制技術、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)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上，有重點地系統(tǒng)攻關，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。二 、搬運機械手的總體設計方案 2.1 機械手基本形式的選擇常見的工業(yè)機械手根據(jù)手臂的動作形態(tài),按坐標形式大致可以分為4種:(1)直角坐標型機械手;(2)圓柱坐標型機械手;(3)球坐標(極坐標)型機械手;(4)多關節(jié)型機機械手。其中圓柱坐標型機械手結構簡單緊湊,定位精度較高,占地面積小，因此本設計采用圓柱坐標型圖。2.2 機械手的主要部件及運動在圓柱坐在圓柱坐標式機械手的基本方案選定后，根據(jù)設計任務，為了滿足設計要求，本設計關于機械手具有5個自由度既：手抓張合；手部回轉；手臂伸縮；手臂回轉；手臂升降5個主要運動。本設計機械手主要由4個大部件和5個液壓缸組成：（1）手部，采用一個直線液壓缸，通過機構運動實現(xiàn)手抓的張合。（2）腕部，采用一個回轉液壓缸實現(xiàn)手部回轉（3）臂部，采用直線缸來實現(xiàn)手臂平動1.2m。（4）機身，采用一個直線缸和一個回轉缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉。2.3 驅動機構的選擇驅動機構是工業(yè)機械手的重要組成部分, 工業(yè)機械手的性能價格比在很大程度上取決于驅動方案及其裝置。根據(jù)動力源的不同, 工業(yè)機械手的驅動機構大致可分為液壓、氣動、電動和機械驅動等四類。采用液壓機構驅動機械手,結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅動力大等優(yōu)點。因此，機械手的驅動方案選擇液壓驅動。2.4 機械手的技術參數(shù)列表一、用途：搬運 - 用于車間搬運二、設計技術參數(shù):1、抓重:60Kg (夾持式手部)2、自由度數(shù):5個自由度3、坐標型式:圓柱坐標4、最大工作半徑: 1600mm5、手臂最大中心高:1248mm6、手臂運動參數(shù)伸縮行程：1200mm伸縮速度：83mm/s升降行程：300mm升降速度：67mm/s回轉范圍: 0- 180 7、手腕運動參數(shù)回轉范圍: 0- 180三 、手部的設計計算 3.1 手部設計基本要求（1） 應具有適當?shù)膴A緊力和驅動力。應當考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動機構所需的驅動力大小是不同的。（2） 手指應具有一定的張開范圍，手指應該具有足夠的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點所轉過的角度），以便于抓取工件。（3） 要求結構緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強度的前提下，盡可能使結構緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負載。（4） 應保證手抓的夾持精度。3.2 典型的手部結構（1） 回轉型 包括滑槽杠桿式和連桿杠桿式兩種。（2） 移動型 移動型即兩手指相對支座作往復運動。（3）平面平移型。3.3 機械手手抓的設計計算3.3.1 選擇手抓的類型及夾緊裝置本設計是設計平動搬運機械手的設計，考慮到所要達到的原始參數(shù)：手抓張合角=，夾取重量為60Kg。常用的工業(yè)機械手手部,按握持工件的原理,分為夾持和吸附兩大類。吸附式常用于抓取工件表面平整、面積較大的板狀物體,不適合用于本方案。本設計機械手采用夾持式手指,夾持式機械手按運動形式可分為回轉型和平移型。平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動,這種手指結構簡單, 適于夾持平板方料, 且工件徑向尺寸的變化不影響其軸心的位置, 其理論夾持誤差零。若采用典型的平移型手指, 驅動力需加在手指移動方向上,這樣會使結構變得復雜且體積龐大。顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。通過綜合考慮，本設計選擇二指回轉型手抓，采用滑槽杠桿這種結構方式。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。3.3.2 手抓的力學分析 下面對其基本結構進行力學分析：滑槽杠桿 圖3.1（a）為常見的滑槽杠桿式手部結構。(a) (b)圖3.1 滑槽杠桿式手部結構、受力分析1手指 2銷軸 3杠桿在杠桿3的作用下，銷軸2向上的拉力為F，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為F1和F2，其力的方向垂直于滑槽的中心線和并指向點，交和的延長線于A及B。由=0 得 =0 得 由=0 得h F= （3.1）式中 a手指的回轉支點到對稱中心的距離（mm）. 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。由分析可知，當驅動力一定時，角增大，則握力也隨之增大，但角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好=。3.3.3 夾緊力及驅動力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算： （3.2）式中 安全系數(shù)，通常1.22.0； 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦榔渲衋，重力方向的最大上升加速度； 運載時工件最大上升速度 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。 G被抓取工件所受重力（N）。表3-1 液壓缸的工作壓力作用在活塞上外力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小于500050000以上計算：設a=100mm,b=50mm,<<機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力和驅動力和 驅動液壓缸的尺寸。(1) 設 =1.02 根據(jù)公式，將已知條件帶入： =1.5 （2）根據(jù)驅動力公式得： =1378N （3）取 （4）確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa, 根據(jù)表4.1（JB826-66），選取液壓缸內(nèi)徑為：D=63mm則活塞桿內(nèi)徑為:D=630.5=31.5mm，選取d=32mm3.3.4 手抓夾持范圍計算為了保證手抓張開角為，活塞桿運動長度為34mm。手抓夾持范圍，手指長100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖3.2（a）所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑，當張開時，如圖3.2（b）所示，最大夾持半徑計算如下： 機械手的夾持半徑從3.4 機械手手抓夾持精度的分析計算機械手的精度設計要求工件定位準確,抓取精度高,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好,并有足夠的抓取能。機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。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，一定進行機械手的夾持誤差。圖3.3 手抓夾持誤差分析示意圖該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。機械手的夾持范圍為80mm180mm。一般夾持誤差不超過1mm,分析如下：工件的平均半徑：手指長,取V型夾角偏轉角按最佳偏轉角確定：計算 當S時帶入有：夾持誤差滿足設計要求。3.5 彈簧的設計計算 選擇彈簧是壓縮條件，選擇圓柱壓縮彈簧。如圖3.4所示，計算如下。圖3.4 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù)(1).選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應力(2).選擇旋繞比C=8，則 （3.3）(3).根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑D=42mm，估算彈簧絲直徑(4).試算彈簧絲直徑 （3.4）(5). 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （3.5）選擇標準為，彈簧的總圈數(shù)圈(6).最后確定，(7).對于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗算 對于壓縮彈簧如果長度較大時，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。為了避免這種現(xiàn)象壓縮彈簧的長細比，本設計彈簧是2端自由，根據(jù)下列選取： 當兩端固定時，,當一端固定；一端自由時，；當兩端自由轉動時，。結論本設計彈簧，因此彈簧穩(wěn)定性合適。(8).疲勞強度和應力強度的驗算。對于循環(huán)次數(shù)多、在變應力下工作的彈簧，還應該進一步對彈簧的疲勞強度和靜應力強度進行驗算（如果變載荷的作用次數(shù)，或者載荷變化幅度不大時，可只進行靜應力強度驗算）?，F(xiàn)在由于本設計是在恒定載荷情況下，所以只進行靜應力強度驗算。計算公式： （3.6）選取1.31.7（力學性精確能高） （3.7）結論：經(jīng)過校核，彈簧適應。四、 腕部的設計計算4.1 腕部設計的基本要求（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。4.2 腕部的結構以及選擇4.2.1 典型的腕部結構(1) 具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構。它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉，總力矩M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用?；剞D角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于）。(2) 齒條活塞驅動的腕部結構。在要求回轉角大于的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。(3) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構。它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。(4) 機-液結合的腕部結構。4.2.2 腕部結構和驅動機構的選擇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動腕部結構，采用液壓驅動。4.3 腕部的設計計算4.3.1 腕部設計考慮的參數(shù)夾取工件重量60Kg，回轉4.3.2 腕部的驅動力矩計算（1） 腕部的驅動力矩需要的力矩。（2） 腕部回轉支撐處的摩擦力矩。夾取棒料直徑100mm，長度1000mm，重量60Kg，當手部回轉時，計算 力矩：（1） 手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為220mm，直徑120mm，其重力估算G=3.14（2） 擦力矩。（3） 啟動過程所轉過的角度=0.314rad，等速轉動角速度。 （4.1）查取轉動慣量公式有：代入： 4.3.3 腕部驅動力的計算表4-1 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB826-66） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250設定腕部的部分尺寸：根據(jù)表4-1設缸體內(nèi)空半徑R=110mm，外徑根據(jù)表3-2選擇121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為226mm；動片寬度b=66mm,輸出軸r=22.5mm.基本尺寸示如圖4.1所示。則回轉缸工作壓力，選擇8Mpa圖4.1 腕部液壓缸剖截面結構示意表4.2 標準液壓缸外徑（JB1068-67） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 5063809010011012514015016018020020鋼P5060769510812113316814618019421924545鋼506076951081211331681461801942192454.3.4 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎銏D4.2 缸蓋螺釘間距示意表4.3 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缸蓋螺釘?shù)挠嬎?，如圖4.2所示，t為螺釘?shù)拈g距，間距跟工作壓強有關，見表4.3，在這種聯(lián)結中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力 （4.2）計算：液壓缸工作壓強為P=8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,試選擇8個螺釘，所以選擇螺釘數(shù)目合適Z=8個 危險截面 (4.3) 所以 =11863.3+10545=19772N螺釘材料選擇Q235，（）螺釘?shù)闹睆?（4.4）螺釘?shù)闹睆竭x擇d=16mm.4.3.5 動片和輸出軸間的連接螺釘（1） 動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)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。 于是得 (4.5)D動片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15螺釘?shù)膹姸葪l件為 (4.6)或 (4.7)帶入有關數(shù)據(jù)，得螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=12mm.選擇M12的開槽盤頭螺釘。五、 臂部的設計及有關計算手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應該包括3個運動：伸縮、回轉和升降。本章敘述手臂的伸縮運動，手臂的回轉和升降運動設置在機身處，將在下一章敘述。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。因此，一般來說臂部應該具備3個自由度才能滿足基本要求，既手臂伸縮、左右回轉、和升降運動。手臂的各種運動通常用驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和工件的靜、動載荷，而且自身運動較多。因此，它的結構、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。5.1 臂部設計的基本要求一、 臂部應承載能力大、剛度好、自重輕（1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。（2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點的距離。（3） 合理布置作用力的位置和方向。（4） 注意簡化結構。（5） 提高配合精度。二、 臂部運動速度要高，慣性要小機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設計在,最大回轉角速度設計在內(nèi)，大部分平均移動速度為，平均回轉角速度在。在速度和回轉角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機械手臂部要盡可能的輕。減少慣量具體有3個途徑：（1） 減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料。（2） 減少臂部運動件的輪廓尺寸。（3） 減少回轉半徑，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作。（4） 驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。三、手臂動作應該靈活為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件?？偨Y：以上要求是相互制約的，應該綜合考慮這些問題，只有這樣，才能設計出完美的、性能良好的機械手。5.2 手臂的典型機構以及結構的選擇5.2.1 手臂的典型運動機構 常見的手臂伸縮機構有以下幾種：（1） 雙導桿手臂伸縮機構。（2） 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構。（3） 雙活塞桿液壓崗結構。（4） 活塞桿和齒輪齒條機構。5.2.2 手臂運動機構的選擇通過以上，綜合考慮，本設計選擇雙導桿伸縮機構，使用液壓驅動,液壓缸選取雙作用液壓缸。5.3 手臂直線運動的驅動力計算先進行粗略的估算，或類比同類結構，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關機構的主要尺寸，再進行校核計算，修正設計。如此反復，繪出最終的結構。做水平伸縮直線運動的液壓缸的驅動力根據(jù)液壓缸運動時所克服的摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定來確定液壓缸所需要的驅動力。液壓缸活塞的驅動力的計算。5.3.1 手臂摩擦力的分析與計算分析：摩擦力的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具體情況進行估算。上圖是機械手的手臂示意圖，本設計是雙導向桿，導向桿對稱配置在伸縮崗兩側。圖 5.1 機械手臂部受力示意計算如下：由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。得 得 (5.2)式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算;a導向支撐的長度（m）; 當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面有關。對于圓柱面：摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取鋼對鑄鐵：取計算：導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵 ，L=1.69-0.028=1.41m,導向支撐a設計為0.016m將有關數(shù)據(jù)代入進行計算5.3.2 手臂慣性力的計算本設計要求手臂平動是V=,在計算慣性力的時候,設置啟動時間，啟動速度V=V=, (5.3)5.3.3 密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用O型密封，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。經(jīng)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力：5.4 液壓缸工作壓力和結構的確定經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=6210N，根據(jù)表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa（1） 確定液壓缸的結構尺寸：液壓缸內(nèi)徑的計算，如圖5.2所示圖5.2 雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔，當油進入有桿腔中， 液壓缸的有效面積：故有 （無桿腔） (5.4) （有桿腔） (5.5)F=6210N，=，選擇機械效率將有關數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)表4-1（JB826-66），選擇標準液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=65mm.（2） 液壓缸外徑的設計根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為79mm.（3） 活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： (5.6)設計中活塞桿取材料為碳剛，故，活塞直徑d=20mm,L=1360mm,現(xiàn)在進行校核。結論： 活塞桿的強度足夠。六、 機身的設計計算機身是直接支撐和驅動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。6.1 機身的整體設計按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂1800的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮，分析。機身承載著手臂，做回轉，升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種：（1） 回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。（2） 回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內(nèi)部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。（3） 活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。分析：經(jīng)過綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動，機身的回轉和升降。如上圖所示，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的上端蓋連接，回轉缸的動片與缸體連接，由缸體帶動手臂回轉運動。回轉缸的轉軸與升降缸的活塞桿是一體的。活塞桿采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導向?；ㄦI軸與與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下短蓋與連接地面的的底座固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結構是導向桿在內(nèi)部，結構緊湊。具體結構見下圖。驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉。回轉角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉1800。圖6.1 回轉缸置于升降缸之上的機身結構示意圖6.2 機身回轉機構的設計計算（1） 回轉缸驅動力矩的計算手臂回轉缸的回轉驅動力矩，應該與手臂運動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 (6.1)慣性力矩的計算 (6.2)式中 回轉缸動片角速度變化量（），在起動過程中=；t起動過程的時間(s);手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（）。若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為，則 (6.3)式中 回轉零件的重心的轉動慣量。 (6.4)回轉部件可以等效為一個長1800mm，直徑為60mm的圓柱體，質(zhì)量為159.2Kg.設置起動角度=180，則起動角速度=0.314，起動時間設計為0.1s。4694.3密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。經(jīng)過以上的計算=4839.5（2） 回轉缸尺寸的初步確定 設計回轉缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設d=50mm,則回轉缸的內(nèi)徑通過下列計算： (6.5)D=151mm既設計液壓缸的內(nèi)徑為150mm,根據(jù)表4.2選擇液壓缸的基本外徑尺寸180mm(不是最終尺寸)，再經(jīng)過配合等條件的考慮。（3） 液壓缸蓋螺釘?shù)挠嬎愀鶕?jù)表4.3所示，因為回轉缸的工作壓力為8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,根據(jù)初步估算， ，,所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為（一個面6個，兩個面是12個）。危險截面所以， 所以 螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆铰葆數(shù)闹睆竭x擇d=20mm.選擇M20的開槽盤頭螺釘。經(jīng)過以上的計算，需要螺釘來連接，最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖5.2所示，內(nèi)徑為150mm，外徑為230mm，輸出軸徑為50mm圖6.2 回轉缸的截面圖（4） 動片和輸出軸間的連接螺釘動片和輸出軸之間的連接結構如圖6.2。連接螺釘一般為偶數(shù)，對稱安裝，并用兩個定位銷定位。連接螺釘?shù)淖饔茫菏箘悠洼敵鲚S之間的配合緊密。 于是得 式中每個螺釘預緊力；D動片的外徑；f被連接件配合面間的摩擦系數(shù)，剛對銅取f=0.15螺釘?shù)膹姸葪l件為 或 帶入有關數(shù)據(jù)，得=螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘?shù)闹睆?螺釘?shù)闹睆竭x擇d=14mm.選擇M14的開槽盤頭螺釘。6.3 機身升降機構的計算6.3.1 手臂偏重力矩的計算圖 6.3 手臂各部件重心位置圖（1） 零件重量、等?，F(xiàn)在對機械手手臂做粗略估算：總共=33Kg+=109.2Kg (2)計算零件的重心位置，求出重心到回轉軸線的距離。=1920mm=1.69mm=0.88mm (6.6)所以，回轉半徑(3) 計算偏重力矩 (6.7)6.3.2 升降不自鎖條件分析計算手臂在的作用下有向下的趨勢，而里柱導套有防止這種趨勢。由力的平衡條件有=h=即 =所謂的不自鎖條件為：即 取 (6.8) 當=1650mm時，0.32=528mm因此在設計中必須考慮到立柱導套必須大于528mm6.3.3 手臂做升降運動的液壓缸驅動力的計算 (6.9)式中摩擦阻力，參考圖5.3 取f=0.16G零件及工件所受的總重。（1）的計算設定速度為V=4;起動或制動的時間差t=0.02s;近似估算為286.1Kg;將數(shù)據(jù)帶入上面公式有：=（2）的計算 28725.6=2792.2N（3）液壓缸在這里選擇O型密封，所以密封摩擦力可以通過近似估算 最后通過以上計算