圓柱坐標機械手結構設計概述

洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）圓柱坐標式三自由度機械手摘 要機器人不僅是一種自動化的機器。機器人是一種可重新編程的、多功能的、機械手,為實現各種任務設計成通過可改變的程序動作來移動材料、零部件、工具或是其他專用裝置。 本設計設計的是一種圓柱坐標式機械手,該裝置具有三個獨立運動(兩個直線運動、一個旋轉運動)，也就是所說的三個自由度。該機構中立柱可相對于機座旋轉180度，回轉速度15r/min，可水平伸縮距離400，移動速度約0.2/s，機械手可上下垂直運動，其垂直升降量1000，移動速度約0.15/s，機械手最大夾持重量10，所夾持工件為圓柱形，直徑范圍：30120。本設計的旋轉運動采用擺動液壓馬達（旋轉液壓缸）驅動，水平伸縮運動采用液壓缸驅動，垂直升降運動仍采用液壓缸驅動。關鍵詞：三自由度，圓柱坐標式，工業(yè)機器人，機械手CYLINDRICAL COORDINATE ROBOT OF THREE DEGREES OF FREEDOMABSTRACTA robot is not simply another automated machine. A robot is a reprogrammable multifunctional manipulator designed to move material, parts, tool, or specialized devices through variable programmed motions for the performance of a variety of task.This design is a cylindrical coordinate manipulator, the device has three separate campaigns (two straight-line movement, a rotating Movement), that is to say that the device has three degrees of freedom. The bodies of the column can be compared to frame 180-degree rotation, with the rotation speed 15 r / min. The manipulator may be stretching from the level of 400mm, with the moving speed about 0.2 m/ s. From the top to the bottom, the manipulator can do vertical movement and its vertical take-off and landing is 1000mm, with the moving speed about 0.15 m/ s. The largest weight that the device grip can lead to 10kg.The workpiece with the diameter from 30mm to 120mm that the device can grip is cylindrical.According to the issue demands ,besides, careful thinking and ask the teacher, the rotating movements of the design opts rotating hydraulic motor (rotating cylinder) , the level of stretching movements are driven by hydraulic cylinders, vertical take-off and landing movements are still driven by hydraulic cylinders.KEY WORDS：Three degrees of freedom, Cylindrical，Industrial robot, Manipulator7目錄前 言1第1章 概述21.1 工業(yè)機械手的概述21.1.1 機械手的組成21.1.2 機械手的運動與分類31.1.3 機械手的主要參數41.1.4 機械手的結構51.2 工業(yè)機械手的發(fā)展51.3 工業(yè)機械手在我國的發(fā)展與應用6第2章 總體設計方案82.1 總體設計的思路82.1.1 思路82.2 總體方案的確定82.2.1 方案8第3章 機械手相關的設計與計算93.1 手指的相關設計與計算93.1.1 手指夾緊力的計算93.1.2 手部液壓缸的選取113.1.3 水平伸縮缸尺寸計算133.1.4 垂直升降液壓缸主要參數的確定143.2 升降手臂的設計163.3 立柱與托盤的設計173.4 液壓馬達的設計與計算193.5 液壓泵、電機的選擇213.6 機械手的控制22第4章 相關的校核234.1 手爪扇形齒輪與齒條強度校核23結 論24謝 辭25參考文獻26前 言機器人技術的發(fā)展，可以說是科學技術發(fā)展共同的一個綜合性的結果，同時，也是為社會經濟發(fā)展產生了重大影響的一門科學技術，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國加強了經濟的投入，就加強了本國的經濟的發(fā)展。另一方面它也是生產力發(fā)展的需求的必然結果，也是人類自身發(fā)展的必然結果，人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中,需求能夠解放人的一種工具。那么這種工具就是代替人們去能夠從事復雜和繁重的體力勞動，實現人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。另一方面，人們有各種各樣的好的想法，它也歸功于電子技術，計算機技術以及制造技術等相關技術的發(fā)展而產生了提供了強大的技術保證。畢業(yè)設計是對大學所學的知識的總結和運用。它是基礎知識和專業(yè)知識的統(tǒng)一，是理論和實踐相結合，這加深了我們對所學知識的理解和靈活運用。通過查閱大量的資料，學到了很多在課堂上學不到的知識和掌握了一部分新的理念，為我們走向工作崗位奠定了一定的知識基礎。同時，也是檢驗我們掌握所學知識的深度和力度 第1章 概述1.1 工業(yè)機械手的概述工業(yè)機器手的用途十分廣泛，它對于實現生產過程的自動化，提高勞動效率，減輕工人的勞動強度，保證工人的安全都具有重要的意義，尤其對于那些有毒、高危、多粉塵、油漆、深水作業(yè)的工作環(huán)境和有放射等惡劣環(huán)境條件下的作業(yè)，使用工業(yè)機械手和機器人更具有顯著的優(yōu)越性，在FMS中要實現物流系統(tǒng)的正常運用，以實現坯料進入車間到加工成成品零件的全過程，使各個環(huán)節(jié)都能進行自動連接 ，以及機床刀具的自動調換，機械手都將起的重要的作用。隨著機械工業(yè)的發(fā)展，工業(yè)機械手的應用范圍會越來越廣。1.1.1 機械手的組成工業(yè)機械手是一種模仿人手動作，并按設定的程序、軌跡、和要求代替人手抓取、搬運工件或操持工具或進行操作的自動化裝置。在 工業(yè)生產中應用的工業(yè)機械手簡稱為“機械手”。 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成，各部分之間的相互關系如1-1所示。 工件執(zhí)行機構驅動系統(tǒng)控制系統(tǒng) 位置檢測裝置圖1-1機構相互關系圖1、執(zhí)行機構執(zhí)行機構包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。(1) 手部（或稱抓取機構）是與物體接觸的部件，主要是抓取和放置物件的作用。(2) 手腕 是連接手部和手臂的部件，可以調整和改變工件方位。(3) 手臂 是支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。(4) 立柱 是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分。手臂的回轉運動和升降（或俯仰）運動均與立柱有密切的聯系。(5) 機座 是機械手的基礎部分。執(zhí)行機構的各個部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，起支承和連接的作用。有時為了完成遠距離的操作和擴大使用范圍，可以增設滾輪行走機構2、驅動系統(tǒng)機械手的驅動系統(tǒng)是驅動執(zhí)行機構運動的動力裝置，常用的有液壓、氣壓、電力和機械式驅動四種形式。3、控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)是機械手動作的指揮系統(tǒng)，用來控制動作的順序（程序）、位置和時間、速度和加速度等。4、位置檢測裝置位置檢測裝置控制執(zhí)行機構的運動位置，可隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置。 1.1.2 機械手的運動與分類1、機械手的運動機械手以及及其手部所夾持的工件（或工具）在空間的位置，有臂部、腕部等部件以及整機的各自獨立運動的合成來確定。機械手的每一個動作，必須要配有一個原動件，當各個原動件按一定的規(guī)律運動時，機械手各運動部件隨之作確定的運動，從而使機械手具有運動和位置的確定性。2、機械手的分類機械手按不同的標準可有不同的分類方法，如按用途可分為用機械手和專用機械手；按驅動方式可分為液壓驅動機械手、氣動驅動機械手、電力驅動機械手和機械驅動機械手；按控制方式可分為點位控制機械手和連續(xù)軌跡控制機械手兩種。在實際應用中，大多按運動坐標形式將機械手分為直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式和關節(jié)坐標式四種。此設計選用的是圓柱坐標。1.1.3 機械手的主要參數機械手的主要參數是說明機械手的規(guī)格和具體指標，一般包括以下幾項：1、抓取重量抓取重量（又稱臂力）是機械手所能抓取或搬運物件的最大重量，它對其他參數如行程范圍、運動速度、坐標形式和緩沖裝置的設計均有影響，是機械手最基本的參數。2、運動速度運動速度反應了機械手的生產水平，影響機械手的運動周期和工作效率，很多機械手由于速度低而限制了它的使用范圍。影響機械手動作快慢的兩個主要運動是手臂伸縮和回轉運動。速度大小與機械手的驅動方式、定位方式、抓取重量和行程距離有關系。3、行程范圍機械手的手臂運動行程對使用性能有較大的影響。一般來說，通用機械手的手臂回轉應盡量可能大些，回轉行程范圍應大于180，使機械手具有一定的通用性；手臂伸縮行程及工作半徑要適宜，太大會增加手臂伸縮量，相應的偏重力矩和轉動慣量也增加，且剛性降低，對于定位精度也難以保證。4、定位精度定位精度是衡量機械手工作質量的又一指標，是機械手是運動部件從某一起始位置運動到預期的另一位置時所達到的實際位置的準確程度。定位精度的高低取決于位置控制方式以及機械手運動部件本身的精度和剛度，并和抓取重量、運動速度等因素也有密切關系。定位精度包括位置設定精度和重復定位精度兩種，一般所說的定位精度是指重復定位精度。1.1.4 機械手的結構機械手的機械結構（運動）本體是機械手的基礎部分，各運動部件的結構形式取決于它的使用場合和各種不同的作業(yè)要求。機械手的結構類型特征，用它的結構坐標形式有和自由度表示；機械手的空間活動范圍用它的工作空間來表示。1、機械手的運動自由度所謂機械手的運動自由度是指確定一個機械手的執(zhí)行系統(tǒng)需要的獨立運動參數的數目，它表示機械手動作靈活程度的參數。機械手執(zhí)行系統(tǒng)的手部、手腕、手臂和機座等的獨立運動所合成的運動狀態(tài)（方位），決定了手部所夾持的工件或工具在空間的位置和姿態(tài)。機械手的自由度越多，其動作的靈活性和通用性就越好，但是其結構和控制就越復雜。在決定機械手的自由度時，不計入手部的抓取動作，因為這個動作并不改變工件或工具的位置與姿態(tài)。2、手的工作空間與坐標所謂工作空間，是指機械手正常運作時，手腕參考點或者機械接口坐標系原點能在空間活動的最大范圍，是機械手的主要技術參數之一。機械手工作空間與其具有的自由度數目以及所選用的運動關節(jié)的類型及配置有關。每個運動關節(jié)所形成的變化量，如直線移動的距離、回轉角度的大小，都將影響工作空間的大小。機械手的坐標系按右手定則決定。 1.2 工業(yè)機械手的發(fā)展機器人(機械手)的歷史并不算長，1959年美國英格伯格和德沃爾制造出世界上第一臺工業(yè)機器人，機器人的歷史才真正開始。英格伯格在大學攻讀伺服理論，這是一種研究運動機構如何才能更好地跟蹤控制信號的理論。德沃爾曾于 1946 年發(fā)明了一種系統(tǒng)，可以“重演”所記錄的機器的運動。 1954 年 , 德沃爾又獲得可編程機械手專利，這種機械手臂按程序進行工作，可以根據不同的工作需要編制不同的程序，因此具有通用性和靈活性，英格伯格和德沃爾都在研究機器人，認為汽車工業(yè)最適于用機器人干活，因為是用重型機器進行工作，生產過程較為固定。 1959 年，英格伯格和德沃爾聯手制造出第一臺工業(yè)機器人。 它成為世界上第一臺真正的實用工業(yè)機器人。此后英格伯格和德沃爾成立了“尤尼梅遜”公司，興辦了世界上第一家機器人制造工廠。第一批工業(yè)機器人被稱為“尤尼梅特”，意思是“萬能自動”。 他們因此被稱為機器人之父。 1962 年美國機械與鑄造公司也制造出工業(yè)機器人，稱為“沃爾薩特蘭”，意思是“萬能搬動”?！庇饶崦诽亍焙汀拔譅査_特蘭”就成為世界上最早的、至今仍在使用的工業(yè)機器人。 近百年來發(fā)展起來的機器人，大致經歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機器人， 第二代為群體勞動機器人，第三代為類似人類的智能機器人，它的未來發(fā)展方向是有知覺、有思維、能與人對話。第一代機器人屬于示教再現型 , 第二代則具備了感覺能力 , 第三代機器人是智能機器人 , 它不僅具有感覺能力 , 而且還具有獨立判斷和行動的能力。 英格伯格和德沃爾制造的工業(yè)機器人是第一代機器人，屬于示教再現型，即人手把著機械手，把應當完成的任務做一遍，或者人用“示教控制盒”發(fā)出指令，讓機器人的機械手臂運動，一步步完成它應當完成的各個動作 。 1.3 工業(yè)機械手在我國的發(fā)展與應用隨著現代科技的迅猛發(fā)展，機器人技術已廣泛應用于人類社會的各個領域。在制造業(yè)中誕生的工業(yè)機器人是繼動力機、計算機之后而出現的全面延伸人的體力和智力的新一代生產工具。機器人的應用是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。縱觀目前經濟發(fā)展現狀，我國機器人市場增長異常迅猛；從銷售量上更是充分說明了這個不爭的事實。在中國市場上占有35市場份額的ABB公司2004年在中國賣出了600臺機器人。而該公司在過去9年中一共才在中國大陸市場銷售了2000臺機器人。專家預測，中國機器人2005年擁有量將增至7600臺，到2010年擁有量將達到17300臺，到2015年，市場容量將達十幾萬臺(套)。據悉，汽車制造、工程機械及電機、電子等行業(yè)的企業(yè)是中國今后對機器人需求最大的部門，其中所需機器人的品種以點焊、弧焊、噴漆、裝配、搬運、沖壓等為主。近年來我國的機器人自動化技術也取得了長足的發(fā)展，但是與世界發(fā)達國家相比，還有一定的差距，如可靠性低于國外產品；機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距。我國目前從事機器人研發(fā)和應用工程的單位相對較少，工業(yè)機器人的擁有量遠遠不能滿足需求量，長期大量依靠從國外引進。在應用規(guī)模上，我國已安裝的國產工業(yè)機器人，約占全球已安裝臺數的0.4%。產生以上差距，有關專家認為主要是我國沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“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、成本較多，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。 2004年中國國際機器人展覽會于11月1-4日舉行，會后分析報告數據表明，與會的專業(yè)觀眾只占43%，非專業(yè)觀眾占57%；而90.3%的專業(yè)觀眾為了了解、收集產品信息，其余的大多沒有填寫具體參觀目的；專業(yè)觀眾中只有21%的工業(yè)制造業(yè)人員，其余主要以科研單位為主，國內參展單位展出的多是面向教育應用和處于實驗開發(fā)中的機器人，且產品略顯不成熟。這充分表明我國機器人產業(yè)還停留在純技術層面，離市場化還有很長一段距離。我國機器人產業(yè)要快速發(fā)展，就不能只靠幾個愛好者的激情和科研單位的單方努力，機器人就不能只作為展覽會上的表演者。研制單位必須和需求緊密結合，讓機器人走進工廠和家庭，實現真正的產業(yè)化。把發(fā)展中國機器人產業(yè)納入政府重要產業(yè)政策中，引導和扶持企業(yè)進行產業(yè)和產品結構調整，加速機器人產業(yè)化進程。第2章 總體設計方案 2.1 總體設計的思路 2.1.1 思路設計機器人大體上可分為兩個階段：1、系統(tǒng)分析階段(1)根據系統(tǒng)的目標，明確所采用機器人的目的和任務。(2)分析機器人所在系統(tǒng)的工作環(huán)境。(3)根據機器人的工作要求，確定機器人的基本功能和方案。如機器人的自由度、所能抓取的重量。2、技術設計階段(1)確定驅動系統(tǒng)的類型；(2)選擇各部件的具體結構，進行機器人總裝圖的設計；(3)繪制機器人的零件圖，并確定尺寸。 2.2 總體方案的確定2.2.1 方案提到總體方案的確定，讓我們重復一下本課題的要求：設計一種圓柱坐標式三自由度工業(yè)機械手，要求該裝置具有三個獨立的運動（兩個直線運動和一個旋轉運動）。該機構中立柱可相對于機座旋轉180度，回轉速度15r/min，可水平伸縮距離400，移動速度約0.2/s，機械手可上下垂直運動，其垂直升降量1000，移動速度約0.15/s，機械手最大夾持重量10，所夾持工件為圓柱形，直徑范圍：30120。根據課題要求經過認真思考和請教指導老師，本設計的旋轉運動采用擺動液壓馬達（旋轉液壓缸）驅動，水平伸縮運動采用液壓缸驅動，垂直升降運動仍采用液壓缸驅動。8洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文）第3章 機械手相關的設計與計算3.1 手指的相關設計與計算 3.1.1 手指夾緊力的計算手部是機械手直接抓取和握緊（或吸附）物件或夾持專用工具執(zhí)行作業(yè)任務的部件，因此手部的結構和尺寸應依據作業(yè)任務要求來設計，從而形成了多種的結構型式。它安裝在手臂的前端，可以模仿人手動作。設計手部時除了要滿足抓取要求外，還應滿足以下幾點要求：（1）手指握力的大小要適宜確定手指的握力（即夾緊力）時，應考慮工件的重量以及傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落，但握力太大又會造成浪費并可能損壞工件。（2）應保證工件能順利地進入或脫開手指開合式手指應具有足夠大的張開角度來適應較大的直徑范圍，保證有足夠的夾緊距離以方便抓取和松開工件。移動式鉗爪要有足夠大的移動范圍。（3）應具有足夠的強度和剛度，并且自身重量輕因受到被夾工件的反作用力和運動過程中的慣性力、振動等的影響，要求機械手具有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但結構要簡單緊湊、自重輕，并使手部的重心在手腕的回轉軸線上，使手腕的扭轉力矩最小。（4）動作迅速、靈活、準確，通用機械手還要求更換手部方便根據用途手部可分為夾持式手部、吸附式手部和專用工具（噴槍、扳手、焊接工具）三類。 經過分析和比較此設計采用夾持式手部。1、夾持式手部夾持式手部對抓取工件的形狀具有較大的適應性，故應用較廣。它的動作與鋼絲鉗或虎鉗相似。2、結構夾持式手部是有驅動裝置、傳動機構和手指（或手爪）等組成。驅動裝置多半用活塞缸。傳動機構常用連桿機構、滑槽機構、齒輪齒條機構等。手指常用兩指，也有多指等形式。指端是手指上直接與被夾工件接觸的部位，它的結構形狀取決于工件的形狀。手部結構按模仿人手手指的動作，可分為回轉型、移動型等形式。經分析和比較此設計選擇移動式的齒輪齒條手部。根據所夾取的零件半徑（30120的圓柱形棒料）經分析取扇型齒輪的齒頂圓半徑R=47，模數m=4，=23。齒條齒數取=23。手指夾緊力的計算公式： (3-1)為抓取的工件重量最大為10Kg ，為安全系數取1.22,暫取5，為工作情況系數，可按=1.12.5此取=2，為方位系數，即為當爪子處在不同位置夾取工件不同放置位置是的系數，根據查取的公式： =0.5tan，粗略計算約等于0.91.1此處取1。根據公式（3-1）計算得:1.521109.8N =294N因為此設計采用移動型齒輪齒條手部結構，查資料知其夾緊力為驅動力的一半，即:=0.5 (3-2)所以， =588N，此處考慮其他因素取600N。3、手腕手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變手部的方位。一般手腕設有回轉運動或再增加一個上下擺動即可滿足要求，若有特殊要求可增加手腕左右擺動或橫向移動。機械手的手腕結構相對比較復雜。因此設計時要注意下面幾個問題：（1）可以有手臂完成的動作，盡量不設置手腕。（2）手腕結構盡可能簡單化，對不需要三維自由度的手腕，可采用兩個或一個回轉運動。此設計可以不要手腕，動作可以由手臂完成。圖 3-1機械手手部簡圖3.1.2 手部液壓缸的選?。?）、初算活塞桿直徑經分析液壓缸的最大工作力為F = 1451N由于手爪是靠推力夾緊的，所以驅動液壓缸的活塞桿選用材料HT-15 則得= 650 ，由 =/ (3-3)取 = 3得： = 216.7N又= N/A (3-4)得： = 2.79²（2）、壓桿穩(wěn)定性校核歐拉公式 = ²EI/ () ² （3-5） 由于此活塞桿是一端固定，一端鉸接，所以 = 0.7根據結構要求取 L = 200則得 HT-15的彈性模量E = 115160Gpa 取 E = 115Gpa又F=²EI/()² (3-6) 為了更安全，取 = 6 得 Imax = () ² F/²E而I = d²d²/64 (3-7) 得 = 64()²F/（²E） = 0.0341根據GB/T-2348-1993圓整得：d = 35 （3）、液壓缸參數確定由d = (0.61) D得缸體內徑 D = 35/0.6 = 58.33根據GB/T-2348-199311圓整得D = 65則選用T5160-1型夾緊油缸液壓缸行程：S =（282-162）=120 根據表GB/T-2348-1993 圓整得S = 125 （4）、選擇調速閥查機械設計手冊選擇YF型溢流閥，技術規(guī)格為通徑mm 額定流量L/min 調速范圍Mpa 螺紋聯結 重量kg10 2 0.57 YF-L10B 2.4 表3-1溢流閥技術規(guī)格3.1.3 水平伸縮缸尺寸計算1.選擇調速閥：選用ZFRM型調速閥，技術規(guī)格如下圖框所示表3-2調速閥技術規(guī)格通徑mm 工作壓力Mpa 調速范圍 重量16 0.5-31 0-160 11.32.液壓缸內壁直徑計算D= (3-8) =0.1301即D=130.1取D=1303.考慮伸縮缸與夾緊缸配合，取活塞直徑d=70。4.活塞行程查表得 S=500 5.缸頭厚度計算h= (3-9)（1）、選擇材料 TQ-400 =400 =250（2）、F= （q值取其屈服極限） (3-10) =31689+675885N=707574N（3）、 (3-11) =0.000899=0.899 （4）、缸頭法蘭按T5016-1型夾緊缸缸頭2倍尺寸制造。 3.1.4 垂直升降液壓缸主要參數的確定1、查表文獻11得液壓缸活塞桿外徑尺寸系列表37.7-2 取活塞桿直徑為25。工程液壓缸的技術規(guī)格，液壓缸缸徑AL為40，速度比=1.33，推力為20.11kN，拉力15.08kN。2、液壓缸缸蓋及密封根據參考資料11表19-13和GB3452.1-92 O型圈用（內徑）=28.7，公差0.30，為密封截面直徑，=5.300.13氈圈密封（內徑）=36 D（外徑）=403、缸底厚度計算根據參考資料16公式37.3-29 (3-12)已知=0.04 =16 =0.01（缸底油孔直徑） =1000.0110取h=104、缸底油孔直徑的計算根據參考資料16式37.9-1管子油口內徑dd1130 (3-13)Q為液體流量，V為流速對于壓油管V36/s，這里V取5/s由 (3-14)為液壓缸輸出速度，AL活塞直徑得： (3-15)已知：=0.15 /s, =0.00075 12.87由文獻1得: 公稱直徑故d取10采用卡套式直通管接頭鋼管外徑為22，管接頭連接螺紋M221.5采用推薦管路通過流量為1000GB3755.1-83公稱壓力P=16圖3-2升降液壓缸簡圖 3.2 升降手臂的設計 手臂是機械手執(zhí)行機構中的重要部件，它的作用是把物料運送到工作范圍內的給定位置上。手臂一般能夠完成伸縮運動、左右回轉、升降或上下擺動（即俯仰）運動，其運動形式有直線運動、回轉運動以及二者的復合運動。手臂是支持手部和手腕的部件，它需要承受物料的重量和手部、手腕、手臂自身的重量，其結構、工作范圍、靈活性以及抓重大小、定位精度等對機械手性能影響很大，因此在 設計手臂的結構型式時，除了應考慮上述因素外，還應注意以下幾點：1、應使手臂剛度大、重量輕，保證手臂準確工作并具有一定的定位精度。2、應使手臂運動速度快、慣性小、動作靈活。應使手臂傳動準確、導向性好。3、輸油（氣）管道的布置合理，不妨礙機械手的運動且使手臂外形整齊，結構緊湊。4、其他要求，如高溫作業(yè)，應考慮熱輻射的影響;粉塵場合應設有防塵裝置。本設計的手臂是垂直直線運動。手臂的伸縮、升降及橫向（或縱向）移動均屬于直線運動。常用的實現手臂直線運動的機構有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構、絲杠螺母機構以及活塞缸和連桿機構等。下圖所示為采用齒輪齒條機構的手臂結構，可以實現自動導向并使手臂移動的距離和速度有定值的增加。活塞桿左移時，與之相連的齒輪也左移，并使運動齒條一起移動。由于齒輪與固定齒條相嚙合，因而齒輪在移動的同時，又迫使其在固定齒條上滾動，并將此運動傳給運動齒條，從而使運動齒條又左移一距離。因手臂固結于運動齒條上，所以手臂的行程和速度均為活塞桿行程和速度的兩倍。因手臂的移動速度約為0.15/s,所以活塞桿的速度為0.075/s。3.3 立柱與托盤的設計立柱是支承水平液壓缸和機械手的部件，立柱設計的質量直接關乎到機械手的工作。此設計的立柱經過分析與計算，最后采用如下圖的立柱。立柱與托盤是一體的，用鑄造生產。托盤與液壓缸的連接用四個GB528-M24螺栓進行連接。立柱與底座的連接采用四個M24的螺釘進行連接。具體尺寸見下圖3-4。 圖3-4立柱與托盤簡圖3.4 液壓馬達的設計與計算1、計算轉動慣量將立柱與托盤以上的部分等效成40×2000的均勻直桿，估算出其總質量為（包括工作時的夾持的工件）= 50 其轉動慣量為 = ml²12 （3-16） = 50×2²12 16.67 由于其形心距立柱有效距離為d = 140由平行軸定理得出橫梁相對立柱形心的轉動慣量 = + （3-17） = （16.67 + 50×0.14²） = 17.65將立柱與托盤視為50×2000的均勻圓柱，估算其質量 m = 30 則其轉動慣量為 = /2 （3-18） = 30×0.05² = 0.075則底座托盤以上整體的轉動慣量為 總 = + （3-19） =（17.65 + 0.075） =17.7252、起動轉矩計算（1）立柱角速度計算若要求立柱在0.1秒內速度由0增大到15r/min，則 = n/30 （3-20） = 15/30 = 0.5/s角速度=/t （3-21） = 0.5/0.1 = 5 /s(2)、起動轉矩 = ×= 17.725×5 278.283、馬達外徑計算此液壓馬達是用于驅動立柱往復回轉180°的機構，采用擺動液壓馬達。由公式 T = b (D²-d²) (P2-P1) /8 （3-22） 取馬達容積高 b = 50軸徑 d = 35工作壓力 = 3 背壓 = 1 馬達工作效率 = 0.9則 D = 104.8查表GB/T 2348-1993 取D = 125 4、葉片設計葉片設計如下圖，帶鍵槽的通孔套在底座托盤軸徑為100的軸上，與之配合。葉片厚度為10。5、緊固及連接方案上下缸蓋與缸筒之間采用毛氈密封，并用8個M8的螺釘緊固；至于缸體與底座的連接，用4個M24的螺栓連接，為防止兩組螺栓孔削弱缸體上端蓋的強度，特將兩組螺栓孔錯開45° 3.5 液壓泵、電機的選擇1、流量計算(1)、手爪驅動缸流量計算若要求手爪在0.1秒內抓取并夾緊工件，則手爪運動速度 = /t （3-23） = 0.125/0.1/s = 1.25/s則手爪驅動缸的流量 = V1×A1×1000×60 = 1.25×0.02²×1000×60×/4 = 2.355 /min(2)、橫梁驅動缸的流量計算 = V2×A2×1000×60 = 0.2×0.063²×1000×60×/4 = 37.4 /min(3)、立柱液壓缸的流量計算 = V3×A3×1000×60×/4 = 0.15×0.02²×1000×60×/4 = 2.826 /min(4)、底盤液壓缸流量計算 = b (D ² -d ²) /8m = 0.5× (1 ²-0.35 ²) ×15/8×0.9 = 0.9141 /min則總流量為 = Qv1 + Qv2 + Qv3 + Qv4 = 2.355 + 37.4 + 2.826 + 0.9141 = 43.4951/min2、選擇液壓泵為實現用一個液壓泵給這幾個液壓缸供油，需要選擇一個大流量的液壓泵，根據液壓泵產品列表選擇CB-32型液壓泵，其相關參數為額定排量 32.1 ml/r 額定轉速 1500 r/min額定壓力 10 額定功率 9.8 質量 6.4 算得其額定流量=32.1×1500÷1000 = 48.15 /min滿足此液壓系統(tǒng)流量要求。3、選擇電機根據液壓泵功率選擇合適的電機，查電機產品列表選擇Y160-4 型電機，其相關參數如下：額定功率 11滿載轉速 1460 r/min額定電壓 380 V機械效率 88%3.6 機械手的控制該機械手采用單一液壓泵供油，為實現這一要求，油路采用液力順序閥、行程閥、溢流閥、單向閥等閥體控制。操作方便，只要兩個按鈕接通與斷開電源即可，工作時只要接通其電源，就會往復擺動運送工件，工作完畢斷開電源即可。 22 第4章 相關的校核 4.1 手爪扇形齒輪與齒條強度校核 齒輪齒條強度校核1、材料：齒輪：40 滲碳淬火 硬度5862 齒條：40 滲碳淬火 硬度 48552、因所受的力不大硬齒面扇形齒輪與齒條按接觸疲勞強度校核 可得則 由文獻16得： 安全系數 由上面的公式知：符合要求23結 論本機械手主要用于實現機械加工過程中的工件搬運、上料、下料等的自動化。所設計的機械手只有水平運動、豎直運動和旋轉運動三個自由度，雖然整體運動比較簡單，位置精度還不夠高，但是整個設計過程中涉及和運用到了我大學三年所學的幾乎所有專業(yè)知識，同時我也查閱了大量的關于機械手方面的書籍，對課程設計有了比較深刻的認識。由于缺乏實踐經驗，該設計還有許多不足之處，比如：執(zhí)行部件運行的精確度、控制部分的程序等都需要進一步完善。設計過程中，我一直本著踏踏實實做人，認認真真做事的原則，才使得設計順利進行。我深信：只有腳踏實地才能在以后的工作和學習中取得成功。26謝 辭本次畢業(yè)設計工作是在葛老師的全面指導下完成的，在課題選擇、方案制定、工作實施以及設計說明書的撰寫過程中，無處不滲透著葛老師的心血。葛老師嚴謹治學的工作態(tài)度，一絲不茍的工作作風，對科學研究的忘我精神，對我的學習和生活都產生了深遠的影響，使我從中受益非淺。在整個設計過程中，正是由于葛老師嚴謹求實的工作態(tài)度和對學生無微不至的關懷，使我在大學里最后的一次設計中，也是最綜合的一次設計中得到了實踐性的鍛煉，為我以后步入工作崗位打下了堅實的基礎。為此，學生對您表示衷心的感謝和深深的敬意！同時在設計的過程中，很多的同學和老師給予了我巨大的幫助和支持。在這難忘的兩個多月中，沒有他們的支持，我的設計不可能這樣順利的完成。在此，對這些同學和老師也表示衷心的感謝！在我查找資料的過程中，得到了學校圖書館有關人員的大力支持，給我們提供了必要的資料，使我的設計工作得到了順利進行，并最終按時完成了畢業(yè)設計任務。在此，也一并對他們的熱心幫助表示感謝！最后，學生向在百忙之中評閱本論文的各位老師表示衷心的感謝！ 楊曉希 2012年5月20日 參考文獻1 朱根龍.簡明機械零件設計手冊. 北京：機械工業(yè)出版社.1997：1796 2 濮良貴，紀名剛.機械設計.北京：高等教育出版社.2001：1415 3 王昆，何小柏.機械設計課程設計.北京：高等教育出版社.1995：12104 朱冬梅，胥北瀾.畫法幾何及機械制圖.北京：高等教育出版社.2000：13885 劉鴻文.材料力學. 北京：高等教育出版社.2003：122006 廖念釗，古瑩庵，莫雨松等.互換性與技術測量（第四版）.中國計量出版社.2001：12387 唐樹忠，張素琴，韓群生.機械制圖基礎.天津：天津大學出版社.2002：1221278 甘永力.幾何量公差與檢測.上海：上?？茖W技術出版社.2004：12509 文九巴.機械工程材料.北京：機械工業(yè)出版社.2002：10020010 成大先.機械設計圖冊1-6.北京：北京化學工業(yè)出版社.200011 王守城, 段俊勇.液壓元件及選用.北京：化學工業(yè)出版社.200712 鄭志祥, 張磊等.機械零件第二版. 北京：高等教育出版社.200613 宋昭祥.機械制造基礎.北京：機械工業(yè)出版社.200614 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