普通機(jī)床物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì)

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CAD圖紙和說(shuō)明書(shū),咨詢(xún)Q 197216396 或 11970985普通機(jī)床物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì) 題目名稱(chēng)：普通機(jī)床物料搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計(jì) 所在學(xué)院：專(zhuān)業(yè)（班級(jí)）：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：評(píng)閱人：院 長(zhǎng) ：摘 要隨著工業(yè)產(chǎn)業(yè)水平的發(fā)展的自動(dòng)化，機(jī)器人的使用率越來(lái)越大，機(jī)械手也得到了工業(yè)生產(chǎn)的大量普及，它們被運(yùn)用到了電子設(shè)備產(chǎn)業(yè)、汽車(chē)產(chǎn)業(yè)、食品產(chǎn)業(yè)、機(jī)械的加工與成型產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)等的流水線上, 它們不僅能夠提高運(yùn)輸被運(yùn)物的效率而且還可以節(jié)約地球上珍貴的能源，減低認(rèn)為操作帶來(lái)的失誤和成本，使現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需求得到滿足。通過(guò)老師的悉心教導(dǎo)和自己查閱文獻(xiàn)，在本文中對(duì)物料搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行了總體機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出了直角坐標(biāo)形式的搬運(yùn)機(jī)械手。使機(jī)械手的能夠完成機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，機(jī)械手臂的伸縮和升降；根據(jù)機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)械手的手部夾持機(jī)構(gòu)，并完成了二維圖紙的工作量，并且對(duì)機(jī)械手的電動(dòng)機(jī)和減速器的型號(hào)進(jìn)行了選擇；對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)行了設(shè)計(jì)，其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)，電機(jī)系統(tǒng)選用了兩個(gè)電機(jī)，在底座上的電機(jī)為機(jī)身的旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，另一個(gè)電機(jī)為手臂的升降提供動(dòng)力；并完成了整體的液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，繪制了機(jī)械液壓系統(tǒng)工作原理圖。關(guān)鍵詞： 機(jī)械手； 液壓伺服定位； 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)； 數(shù)控機(jī)床ABSTRACTWith the development of automation in the industrial industry, the utilization rate of robots is getting larger and larger, and robots are also widely used in industrial production. they have been applied to the assembly lines of electronic equipment industry, automobile industry, food industry, machining and forming industry of machinery, pharmaceutical industry and so on. they can not only improve the efficiency of transporting transported goods, but also save precious energy on earth, reduce errors and costs caused by operation, and meet the development requirements of modern economy. Through the teachers careful teaching and consulting the literature, this paper designs the overall mechanism of the material handling robot, and designs the handling robot in the form of right-angle coordinates. The manipulator can complete the rotation of the machine body, the extension and lifting of the manipulator; According to the technical parameters of the manipulator, the hand clamping mechanism of the manipulator is designed, and the workload of two-dimensional drawings is completed, and the models of the manipulators motor and reducer are selected. The mechanical transmission system and drive system are designed, wherein the drive system comprises a hydraulic system and a motor system, and the motor system selects two motors, the motor on the base provides power for the rotation of the machine body, and the other motor provides power for the lifting of the arm. And completed the design and calculation of the overall hydraulic system, and drew the working principle diagram of the mechanical hydraulic system.Key words: Manipulator；Hydraulic servo control；Drive system；Numerical control machine toolsII目 錄1 .緒論11.1本課題的目的和意義11.2 機(jī)械手國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)11.3 設(shè)計(jì)要求22. 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)32.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類(lèi)型32.2機(jī)械手基本技術(shù)參數(shù)的確定32.3設(shè)計(jì)方案42.4驅(qū)動(dòng)方式的選擇52.5 機(jī)械手總裝圖53. 機(jī)械手各部件設(shè)計(jì)計(jì)算73.1 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算73.2 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算93.3臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)103.4機(jī)身和底座的設(shè)計(jì)124. 機(jī)械手液壓原理圖設(shè)計(jì)164.1手部抓取液壓回路164.2腕部轉(zhuǎn)動(dòng)液壓回路164.3小臂伸縮液壓回路164.4總體系統(tǒng)圖175. 電機(jī)和減速器的選擇195.1電機(jī)的選擇195.2減速器的選擇205.3螺柱的設(shè)計(jì)與校核206. 機(jī)械手的定位緩沖裝置226.1常用的定位方式226.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素226.3機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置237. 總結(jié)與展望24參考文獻(xiàn)25附錄1：譯文26附錄2：英文原文301. 緒論1.1本課題的目的和意義機(jī)械手設(shè)計(jì)是完成技術(shù)基礎(chǔ)課和相關(guān)專(zhuān)業(yè)課后的專(zhuān)業(yè)課程的綜合應(yīng)用，通過(guò)設(shè)計(jì)，我們?cè)鰪?qiáng)了分析和整合機(jī)構(gòu)的能力，以及制定設(shè)計(jì)能力和機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力，初步掌握了實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化的設(shè)計(jì)方法。 （1）通過(guò)設(shè)計(jì)，為了在實(shí)踐中應(yīng)用課程中學(xué)到的理論知識(shí)（機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制基礎(chǔ)知識(shí)、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)等），對(duì)這些知識(shí)進(jìn)行了鞏固，并且把理論與實(shí)踐的結(jié)合。因此，機(jī)械手設(shè)計(jì)是一門(mén)綜合性的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，它涉及到基礎(chǔ)課程和專(zhuān)業(yè)課程。（2）機(jī)械手設(shè)計(jì)是我們的機(jī)械設(shè)計(jì)和制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生設(shè)計(jì)的完整的機(jī)電一體化整機(jī)設(shè)計(jì)。通過(guò)培養(yǎng)自主完成整機(jī)設(shè)計(jì)的能力，掌握機(jī)電一體化機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)方法和步驟，為我的未來(lái)的工作奠定良好的基礎(chǔ)。目的：未來(lái)，人類(lèi)將在某些嚴(yán)苛的場(chǎng)合進(jìn)行生產(chǎn)，或者用于精簡(jiǎn)操作，操縱者會(huì)回報(bào)工作以挽救人的力量。意義：由于機(jī)械手在生活中的廣泛使用，人類(lèi)的生產(chǎn)率得到了極大的提高，我們的工作環(huán)境也得到了改善，讓人類(lèi)的生活變得越來(lái)越智能化。1.2 機(jī)械手國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 機(jī)械手的國(guó)內(nèi)進(jìn)展目前在一些機(jī)種方面，例如：弧焊機(jī)械人、搬運(yùn)機(jī)械人、裝配機(jī)械人、點(diǎn)焊機(jī)械人、噴涂機(jī)械人、特種機(jī)械人等基本掌握了機(jī)械手的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，解決了控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和配置，軟件和關(guān)鍵技術(shù)的編寫(xiě)，也掌握了全套弧焊自動(dòng)化、自動(dòng)化噴漆線及其周邊配套設(shè)備的協(xié)調(diào)控制技術(shù)和自動(dòng)通信；在基礎(chǔ)部件方面，機(jī)械人焊接電源、諧波減速器、自動(dòng)焊縫跟蹤裝置也取得了突破。從技術(shù)方面來(lái)看，中國(guó)已經(jīng)為中國(guó)機(jī)械手技術(shù)的自主開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。1.2.2 機(jī)械手的國(guó)外進(jìn)展近年來(lái)，國(guó)外工業(yè)機(jī)械手領(lǐng)域出現(xiàn)了一些發(fā)展趨勢(shì)。雖然機(jī)械手的性能得到了大幅度的提高，但是它們的價(jià)格卻在持續(xù)的下降；機(jī)械結(jié)構(gòu)可重構(gòu)和模塊化；控制系統(tǒng)朝向開(kāi)放的基于PLC的控制器發(fā)展；傳感器作用日益重要；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械手中的作用已從排練和仿真演變成了過(guò)程控制。1.2.3 機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)目前，各種機(jī)械手和機(jī)器人的研制已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家的研究熱點(diǎn)：1機(jī)械手的結(jié)構(gòu)會(huì)向著模塊化前進(jìn)。例如：關(guān)節(jié)模塊中伺服電機(jī)、減速器、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化；機(jī)械手的機(jī)器會(huì)從關(guān)節(jié)模塊和鏈接模塊以重新組織的方式來(lái)構(gòu)造。2工業(yè)機(jī)器人將向由PC機(jī)控制系統(tǒng)開(kāi)放型方向進(jìn)取。設(shè)備的集成度提高，控制柜的體積慢慢變小，擁有模塊化結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)的可靠性會(huì)隨之提高、易于操性和有可維修性。3機(jī)器人將采用傳感器。裝配和焊接機(jī)器人也采用傳感器，例如：視覺(jué)和力傳感器，而遙控機(jī)器人利用視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等多傳感器融合技術(shù)進(jìn)行決策控制；智能化機(jī)器人將采用多傳感器融合配置的關(guān)鍵技術(shù)。4機(jī)械手將開(kāi)發(fā)柔性仿形涂繪機(jī)器人，開(kāi)發(fā)柔性仿形復(fù)合機(jī)構(gòu)，將對(duì)仿形伺服軸軌跡的規(guī)劃進(jìn)行研究。 5工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品將進(jìn)行離線教學(xué)編程和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真。綜上所述，大體是兩個(gè)方向：其一是機(jī)器人的模塊化化，多傳感器、多控制器，先進(jìn)的控制算法和復(fù)雜的機(jī)電控制系統(tǒng)的智能化；其次是生產(chǎn)和加工相聯(lián)系，以滿足相對(duì)具體的任務(wù)；在滿足工作要求的基礎(chǔ)上，追求系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，簡(jiǎn)潔性，可靠性，大量采用工業(yè)控制器市場(chǎng)化、模塊化的元件。1.3 設(shè)計(jì)要求1根據(jù)設(shè)計(jì)要求及原始數(shù)據(jù)，進(jìn)行機(jī)械手抓取機(jī)構(gòu)及底座、機(jī)身的設(shè)計(jì)，選擇驅(qū)動(dòng)方式；2根據(jù)機(jī)械手的動(dòng)作，進(jìn)行液壓系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)；3描述出機(jī)械手常用的緩沖定位裝置。2. 機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)的類(lèi)型工業(yè)機(jī)器人有直角坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，球坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)和圓柱坐標(biāo)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)這四大類(lèi)。1直角坐標(biāo)型式機(jī)器人結(jié)構(gòu) 直角坐標(biāo)機(jī)器人還有一個(gè)名字叫笛卡爾坐標(biāo)機(jī)器人，直角坐標(biāo)機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用三個(gè)相互垂直的直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由于直線運(yùn)動(dòng)易于實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標(biāo)機(jī)器人有可能達(dá)到很高的位置精度（m級(jí)）。但是，這種直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)講，是比較小的。因此，為了實(shí)現(xiàn)一定的運(yùn)動(dòng)空間，直角坐標(biāo)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸要比其他類(lèi)型的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸大得多。直角坐標(biāo)機(jī)器人的工作空間為一空間長(zhǎng)方體。直角坐標(biāo)機(jī)器人主要用于裝配作業(yè)及搬運(yùn)作業(yè)，直角坐標(biāo)機(jī)器人有懸臂式，龍門(mén)式，天車(chē)式三種結(jié)構(gòu)。2圓柱坐標(biāo)型式機(jī)器人結(jié)構(gòu)圓柱坐標(biāo)型式機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是用一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及兩個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，精度還可以，常用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)圓柱狀的空間。3球坐標(biāo)型式機(jī)器人結(jié)構(gòu)球坐標(biāo)型式機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和一個(gè)直線運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，但精度不很高。主要應(yīng)用于搬運(yùn)作業(yè)。其工作空間是一個(gè)類(lèi)球形的空間。4關(guān)節(jié)型式機(jī)器人結(jié)構(gòu)多關(guān)節(jié)型機(jī)器人的空間運(yùn)動(dòng)是由三個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的。關(guān)節(jié)型機(jī)器人動(dòng)作靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。相對(duì)機(jī)器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機(jī)器人在工業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運(yùn)、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類(lèi)型的機(jī)器人。關(guān)節(jié)型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，有水平關(guān)節(jié)型和垂直關(guān)節(jié)型兩種。2.2機(jī)械手基本技術(shù)參數(shù)的確定搬運(yùn)機(jī)械手的基礎(chǔ)技術(shù)參數(shù)是機(jī)械手的機(jī)能以及規(guī)格的數(shù)值： 1臂力本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手所需要的臂力為30kg。2機(jī)器人的結(jié)構(gòu)的形式和自由度的數(shù)目本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手所采用的坐標(biāo)的形式為圓柱坐標(biāo)的形式，其中它還包含了四個(gè)自由度，他們包含著：手腕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)、手臂的升降運(yùn)動(dòng)以及機(jī)身帶動(dòng)手臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。3機(jī)械手的手指的夾持范圍本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手夾持的圓柱形棒料工件，夾持范圍為60100mm。4控制方式由PLC控制。5定位精度本次設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的機(jī)械手定位精度是1 mm。6機(jī)械手行程范圍和工作速度如表2-1表2-1 機(jī)械手的行程范圍和工作速度機(jī)構(gòu)的名稱(chēng)行程的范圍工作的速度手部夾緊25mm50mm/s腕部回轉(zhuǎn)9090/s臂部伸縮500mm200mm臂部升降500mm100mm/s機(jī)身旋轉(zhuǎn)18060/s2.3設(shè)計(jì)方案機(jī)械手設(shè)計(jì)方案采用圓柱坐標(biāo)機(jī)器人；結(jié)構(gòu)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)三部分組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。圖2-1 機(jī)械手工作原理圖在本次設(shè)計(jì)中，被運(yùn)輸物體的重量有30KG，而且有50mm長(zhǎng)，考慮到數(shù)控機(jī)床布局的具體形式及對(duì)機(jī)械手的具體要求，在符合系統(tǒng)工藝要求的前提下，盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)以減低成本并提高產(chǎn)品的可靠性。機(jī)械手工作原理如圖2-1所示。2.4驅(qū)動(dòng)方式的選擇1.液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的手部的開(kāi)閉、手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及手臂的伸縮動(dòng)作都采用了液壓驅(qū)動(dòng)。2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)在機(jī)器手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，常用的電機(jī)類(lèi)型包括步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)及交流伺服電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可直接將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)角，每輸入一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一定的角度，其回轉(zhuǎn)角度大小與脈沖數(shù)成正比，旋轉(zhuǎn)方向取決于輸入脈沖的順序。步進(jìn)電機(jī)可在很寬的范圍內(nèi)通過(guò)改變脈沖的頻率來(lái)進(jìn)行調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)快速起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和制動(dòng)，有較強(qiáng)的阻礙偏離穩(wěn)定的能力。在機(jī)器人無(wú)位置反饋的位置控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 直流伺服電機(jī)在機(jī)器人中應(yīng)用也很廣泛，它常用于直接帶動(dòng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)手臂運(yùn)動(dòng)。直流伺服電機(jī)的工作原理和基本結(jié)構(gòu)與一般動(dòng)力用直流電機(jī)相同。按激磁方式直流伺服電機(jī)可分為永磁式、他激式、串激式和并激式等。在機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中多采用永磁式直流伺服電機(jī)。交流伺服電機(jī)在機(jī)器人中的應(yīng)用情況與直流伺服電機(jī)相同，但交流伺服電機(jī)與直流伺服電機(jī)相比，其無(wú)電刷、功率大、過(guò)載能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好，因而交流伺服電機(jī)是今后機(jī)械手用電機(jī)的發(fā)展方向。 機(jī)械手的手臂的升降運(yùn)動(dòng)還有機(jī)身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)均是選用了這種方式。2.5 機(jī)械手總裝圖圖2-2機(jī)械手裝配圖3. 機(jī)械手各部件設(shè)計(jì)計(jì)算3.1機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算F +圖3-1 滑槽杠桿式手部構(gòu)造、受力剖析1手指2銷(xiāo)軸3杠桿1.如圖3-1所示由FX=0 得 (3-1)由FY=0 得 (3-2)由MO1F=0 得 (3-3) h=a/cos (3-4) F=2bacos2Fn (3-5)式中：手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心線點(diǎn)的距離，取a=50mm； b夾緊力作用點(diǎn)與回轉(zhuǎn)支點(diǎn)間的距離，取b=50mm；夾緊工件時(shí)，兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)與手指的滑槽方向的夾角，取=30。Fn為手指握力，查握力計(jì)算公式得Fn=0.5G。所以計(jì)算得Fn=0.5G=0.5mg=0.5300.98=147N所以由手部的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式(3-5)經(jīng)過(guò)計(jì)算得：F=220.5N F實(shí)際=Fk1k2/ (3-6)算式中的F是理想驅(qū)動(dòng)力； k1=1.5；安全系數(shù)； k2=1+ag；工作情況系數(shù)；取k2=1.2； 工作效率取=0.9所以 F實(shí)際=441N (3-7)2.如圖所示： 圖3-2取油缸內(nèi)徑d=50mm，手部夾緊速度v=50mm/s；供油壓力: P=F實(shí)際S=F實(shí)際4d2 (3-8)經(jīng)計(jì)算得： P=4414502=0.22MPa (3-9)3.活塞桿工作運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度L,即L=（D/2）tg （3-10）式中D=50mm，=30得出L=23.1mm L=25mm（圓整）4.計(jì)算兩個(gè)爪子的L、：取 L/RCP=3 （3-11）式中： Rcp=P/4=200/4=50 （3-12）由公式（3-11）（3-12）得：L=3RCP=150兩爪的夾角2=120， 查表得知：=2239（按最佳偏向角計(jì)算）5. 手部右腔流量Q=Sv=4d2v=450250=98.2ml/s （3-13）6.驗(yàn)算定位誤差由題可知 R最大加持半徑=50mm R最小夾持半徑=30mmRcp=（R1+R2）/2 （3-14） Rcp=40mm查表得知定位誤差為1.2mm，m=2，LAB=mRcp=402=80mm （3-15）查表得最佳的偏轉(zhuǎn)角是c=5444所以定位誤差為：=lAB 2+(R1sin)2-lABR1sincosC-lABsinc=1.01mm (3-16)3.2 腕部設(shè)計(jì)計(jì)算腕部是連接手和手臂的部件。 要求：90的回轉(zhuǎn)區(qū)間以及轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)速度=45/s用最大負(fù)荷計(jì)算：要使擺動(dòng)缸的工件的扭矩達(dá)到最大值，必須要平放工件。工件總重10kg，長(zhǎng)度l=650mm。如圖3-3所示。3.2.1計(jì)算扭矩M1設(shè)重力集齊在離手指中央200mm處，即扭矩M1為：M1=FS （3-17） M1=mg0.2=19.6（NM） m=10kg F S F 圖3-33.2.2油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩M2F=5kg S=10cm代入公式2.9得M2=FS=59.80.1 =2.6（NM） 3.2.3擺動(dòng)缸的摩擦力矩M摩M摩=SF摩=0.0250=0.1MNm3.2.4擺動(dòng)缸的總摩擦力矩MM=0.19+2.6+0.1=2.89Nm （3-18） 3.2.5油缸壓力P由公式T=Pb（A1-mm）106/8 （3-19）其中： b葉片密度，這里取b=2cm； P油壓；T驅(qū)動(dòng)力矩；C擺動(dòng)缸內(nèi)徑, 這里取A1=9.5cm；B轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取mm=3cm。所以代入（3-19）公式P=8T/b（C-B）106 (3-20)=82.89/0.02（0.95-0.03）106=0.128Mpa3.2.6 計(jì)算流量Q=8QbC-B （3-21）Q=0.125bC-B=4,b=0.02，得出Q=31.9ml/s3.3臂伸縮機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂的出現(xiàn)讓機(jī)械手活動(dòng)起來(lái)更為靈活，所以操作時(shí)它是最重要的部件。它可以支持住手腕和手的重量，并使它們?cè)诳臻g中來(lái)去自由的活動(dòng)。手部的位置精度越高，則機(jī)械手的精度越高。手臂伸縮的速度為200m/s行程L=500mm1. 流經(jīng)手臂的流量Q=sv （3-25） =200402 1050ml2.手臂右腔工作壓力，公式得： P=F/S （3-24）式中：F為液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)摩=G2L+aa=1890N。 （3-25）其中為當(dāng)量摩擦系數(shù)，去=0.42；G運(yùn)動(dòng)部件所承重，取500N；L為手臂重心到端點(diǎn)的距離，為180mm F慣=Ggt=102N （3-26）為速度變化量，為0.2m/s；t是啟動(dòng)的過(guò)程所用的時(shí)間，取0.010.5s,本次取0.1s；F密=0.03FF=F摩+F慣+F回+F密=2053.6N （3-27） 所以代入公式（3-24）得： P=F/S=2053.6/40=0.41MPa3.由初步計(jì)算選液壓泵所需液壓最高壓力 P=0.41MPa所需液壓最大流量 Q=1005ml/s選擇CB-D型液壓泵（齒輪泵）他的參數(shù)如表3-1所示，此泵工作壓力P為10MPa，轉(zhuǎn)速n為1800r/min，可以滿足需要。型號(hào)排量ml/r壓力MPa壓力MPa轉(zhuǎn)速r/min轉(zhuǎn)速r/min容積效率%CB-D32-7010（min）14（max）1800240090表3-1 CB-D型液壓泵參數(shù)4.選取電機(jī)根據(jù)CB-D液壓泵的Pmax確定電機(jī)功率：Pmax=14702400600.9=43.6KW所以這個(gè)機(jī)械手選擇Y200M-2型電機(jī)（JB/T 9616-1999），他的額定的功率是45KW。轉(zhuǎn)速為2970r/min。5.驗(yàn)算腕部擺動(dòng)缸：T=PDm（A1-mm）1060.125 （3-28）=8v/b（A1-mm） （3-29）式中：m為機(jī)械效率，取值在0.85到0.90之間v為容積效率，取值在0.70到0.95之間所以代入公式（3-28）得：T=0.890.03（0.12-0.032）0.85106/8 （3-30） =25.8（NM）MM=30.5（NM）因此，取手部抓取缸的工作壓力 P=0.25MPa 流量 Q=100ml/s圓整多個(gè)缸的數(shù)值：腕部旋轉(zhuǎn)缸的工作壓力P1=0.15MPa 流量 Q1=35ml/s小臂伸縮缸的工作壓力P1=0.45MPa 流量Q1=1000ml/s最后結(jié)果如表3-2名稱(chēng)行程范圍工作壓力工作速度流量手爪的握緊25mm0.25MPa50mm/s100ml/s手腕的回轉(zhuǎn)900.15MPa90/s35ml/s手臂的伸縮500mm0.45MPa200mm/s1000ml/s表3-2 最終結(jié)果3.4機(jī)身和底座的設(shè)計(jì)3.4.1 機(jī)身的螺桿的設(shè)計(jì)和計(jì)算1.確定牙型、材料和許用應(yīng)力：此螺桿應(yīng)用梯形螺紋的45鋼的鑄鐵，單線為1=n；查【機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)】表7.2-6得知，許用比壓Pp=1118N/mm2，vs3m/s；螺桿的許用應(yīng)力為：屈服應(yīng)力為s=340N/mm2p=s35=68113.4N/mm2 ； 取p=90N/mm2。 （3-31）bp=11.2p=901088N/mm2； 取bp=99N/mm2。 （3-32）p=0.6p=54N/mm2 （3-33）螺母的許用應(yīng)力為：bp=50N/mm2 ； p=0.6p=35N/mm2。2耐磨性的設(shè)計(jì)計(jì)算本設(shè)計(jì)的螺母為整體式的螺母，故取=1.8，F(xiàn)=2500N。螺桿中徑： d20.8F/(Pp）=9mm (3-34)螺柱的螺紋數(shù)據(jù)：大徑d=36mm，螺距P=6mm，中徑d2=33mm，小徑d1=29mm，牙頂隙ac=0.5mm。螺母高度H： H=d2=59.4mm; 取H=60mm (3-35)螺紋的旋合圈數(shù)和工作高度計(jì)算：z=HP=10 （3-36）h=0.5P=3mm （3-37）導(dǎo)程角的驗(yàn)算：=arctanP/d2=3.3123 (3-38)牙面滑動(dòng)速度：vs=d2vxPcos=1.73m/s3m/s; vx=0.1m/s (3-39)故最開(kāi)始取的Pp的值符合規(guī)格。自鎖的驗(yàn)算：查機(jī)械手冊(cè)得知=0.5；牙型角=30。當(dāng)量摩擦角：PV=arctan/cos2=8.827 （3-40）因?yàn)镻V所以符合自鎖需求。3.螺桿強(qiáng)度的計(jì)算摩擦轉(zhuǎn)矩：T1=12d2Ftan+Pv=8872.8Nmm （3-41）ca=4F/d12+3T1/0.2d132=4.925Nmm2p滿足要求。螺牙的強(qiáng)度計(jì)算：壓根寬：b=0.65P=3.9mm=Fdbz=0.567Nmm2p=35Nmm2 （3-42）b=3Fhdb2z=1.308Nmm2bp=50Nmm2 （3-43）所以在牙根處的剪切強(qiáng)度及其彎曲強(qiáng)度均滿足要求。3.4.2齒輪設(shè)計(jì)計(jì)算1.材料選擇小齒輪選擇40cr（調(diào)質(zhì)）材料，241286HBS（固有硬度區(qū)間）；大齒輪選擇45鋼（正火）材料，162217HBS（固有硬度區(qū)間）。2.模數(shù)的確定根據(jù)本設(shè)計(jì)需要，初步選定齒數(shù)為z1=20，z2=60。令：Flim1=290MPa，F(xiàn)lim2=200MPa，SFlim=1.4，YST=2查找機(jī)械設(shè)計(jì)圖5.19，得：YN11.0=YN2。查找機(jī)械設(shè)計(jì)圖5.32，得：YX1=1.0=YX2。經(jīng)計(jì)算得：F1=Flim1YSTYN1YX1SFlim=414.2857MPa (3-44)F2=Flim2YSTYN2YX2SFlim=284.7143MPa (3-45)查機(jī)械手冊(cè)圖5.14，得：YFa1=2.66，YFa2=2.16。查機(jī)械手冊(cè)圖5.15，得：YSa1=1.55，YSa2=1.84。經(jīng)計(jì)算得：YFa1YSa1F1=0.010;YFa2YSa2F2=0.014。 （3-46）故 YFa2YSa2F2=YFaYSaF 。 （3-47）取KtYt=1.4;a=0.2。m34KTYFaYSaYau+Iz12F=3.66 (3-48)(3-48)中的T=200Nm。取m=4代入（3-48）得：KY=1.531.4。所以a=mz1u+I2=160mm （3-49）3.強(qiáng)度校核電動(dòng)機(jī)的圓周速度為：v=d1n160000=0.04m/s （3-50）以八級(jí)精度來(lái)定義的話：vz1100=0.008m/s （3-51）查機(jī)械手冊(cè)圖5.3、圖5.4圖5.7得KA=1.10;KV=1.00；bd1=0.3。經(jīng)計(jì)算得齒寬為：b=aa=24mm取k=1.03；k=1.1經(jīng)計(jì)算得載荷系數(shù)為:k=kAkVkk=1.25 (3-52)齒輪的分度圓直徑的計(jì)算：d1=mz1=80mm；d2=mz2=240mm （3-53）齒輪的基圓直徑的計(jì)算：db1=d1cos=75.175mm, db2=d2cos=225.526mm (3-54)齒輪的齒頂圓直徑的計(jì)算：da1=88mm;da2=248mm (3-55)齒輪的齒頂壓力角為:a1=arccosdb1/da1=31.3218 a2=arccosdb2/da2=24.5803 (3-56)=12Z1tana1-tan+Z2tana2-tan=1.6708 (3-57)所以取：Y=0.25+0.75a=0.699 （3-58）所以：F1=2KTYFa1YSa1Ybd1m=187.63MPa0.7F1=290MPa (3-59)F2=2KTYFa2YSa2Ybd2m=120.58MPa0.7F1=200MPa (3-60)滿足強(qiáng)度要求。4.齒輪的齒數(shù)z1=20,z2=60,m=4mm,=20,u=3,d1=80,d2=240,da1=88mm,da2=248mm,df1=70mm,df2=230mm,a1=31.3218,a2=24.5803,v=0.04m/s,b=24mm。4. 機(jī)械手液壓原理圖設(shè)計(jì)4.1手部抓取液壓回路圖 4-1手部抓取缸液壓原理圖1、手部抓取缸液壓原理圖如圖4-1所示2、泵的提供壓力P取10MPa，流量Q取最大流量即Q=1300ml/s。因此，采用圖4-1中所示的調(diào)速閥來(lái)調(diào)節(jié)速度，選擇合適流量值為100L/min，工作壓力P=0.25MPa。采用： YF-B10B 溢流閥 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 23E1-10B 二位三通閥4.2腕部轉(zhuǎn)動(dòng)液壓回路 圖4-2腕部轉(zhuǎn)動(dòng)液壓回路1、腕部擺動(dòng)油缸液壓原理圖如圖4-2所示2、工作壓力 P=0.15MPa流量 Q=35ml/s采用：2FRM5-20/102 調(diào)速閥34E1-10B 換向閥（O型保壓）YF-B10B 溢流閥4.3小臂伸縮液壓回路 圖4-3小臂伸縮缸液壓回路1、小臂伸縮油缸液壓原理圖如圖4-3所示2、工作壓力 P=0.45MPa流量 Q=1000ml/s采用： YF-B10B 溢流閥2FRM5-20/102 調(diào)速閥23E1-10B 二位三通閥4.4總體系統(tǒng)圖 圖 4-4液壓總體系統(tǒng)圖1.總體系統(tǒng)圖如圖4-4所示2.工作過(guò)程 手臂伸長(zhǎng)手爪夾緊腕部回轉(zhuǎn)手臂縮回手爪松開(kāi)卸荷3.動(dòng)作順序表表4-1動(dòng)作順序表 元件動(dòng)作1DT2DT3DT4DT5DT手臂伸長(zhǎng)+-手爪夾緊+-腕部回轉(zhuǎn)+-手臂縮回-+-手爪松開(kāi)-卸荷-5. 電機(jī)和減速器的選擇5.1電機(jī)的選擇本次設(shè)計(jì)選擇用到兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)帶動(dòng)臂部的升降運(yùn)動(dòng)，第二個(gè)帶動(dòng)機(jī)身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。驅(qū)使臂部升降運(yùn)動(dòng)的電機(jī)安裝在肋板上，驅(qū)使機(jī)身旋轉(zhuǎn)的電機(jī)安裝在底部，并且和減速器連接。1、 帶動(dòng)臂部升降的電機(jī)：小臂的起落速度為v=100mm/s，驅(qū)動(dòng)力F=2500N.P=Fv1000=0.25KW (5-1)螺桿轉(zhuǎn)速： n=60vd=53.1r/min （5-2）其中d螺桿大徑，d=36mm；所以選擇Y100L-6（JB/T 9616-1999）型電動(dòng)機(jī). Y100L-6型電動(dòng)機(jī)參數(shù)如表5-1所示：表5-1 Y100L-6電動(dòng)機(jī)型號(hào)額定功率KW滿載時(shí)轉(zhuǎn)速r/min電流A效率%功率因素Y100L-61.5940477.50.74電機(jī)輸出軸 D=28mm。聯(lián)軸器選擇：圓柱型套筒式聯(lián)軸器2845GB/T 117-20002、帶動(dòng)機(jī)身回轉(zhuǎn)的電機(jī)： 初選轉(zhuǎn)速 =60/s n=1/6rad/s=10r/min由于齒輪減速比 i=3減速器減速比 i=30所以n=10330=900r/min選擇Y90L-6型籠型異步電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)的屬性是采用B級(jí)絕緣，外殼防護(hù)等級(jí)為IP44，制冷模為I014即全封閉自扇冷卻，U額=380V，P額=50HZ。Y90S-6電動(dòng)機(jī)各種數(shù)據(jù)如圖5-2所示：型號(hào)額定功率KW滿載時(shí)轉(zhuǎn)速r/min電流A效率%功率因素Y90L-63.29103.273.50.72表5-2 Y90L-6電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)電機(jī)尺寸D=28mm；減速器輸入軸尺寸d=30mm；所以選擇KL5聯(lián)軸器J128443062JBZQ4387-1986.5.2減速器的選擇減速器的原動(dòng)機(jī)和減速機(jī)之間的單獨(dú)裝置，用來(lái)降低速度和增添扭矩以滿足需求。選擇WP0120型（外購(gòu)）圓柱蝸桿減速器。5.3螺柱的設(shè)計(jì)與校核螺桿是主承機(jī)器人的，并給手臂上下運(yùn)動(dòng)傳遞動(dòng)力。螺桿的材料選擇：符合經(jīng)濟(jì)角度要求的材料為鑄鐵。螺距 P=6mm 梯形螺紋螺紋的操作高度 h=0.5P （5-3）=3mm螺紋的牙底寬度 b=0.65P=0.656=3.9mm （5-4）螺桿強(qiáng)度 = s/35 （5-5）=150/35=3050MPa螺紋牙剪切 =40彎曲 b=45551、當(dāng)量應(yīng)力=4Fd122+3T0.2d132 (5-6)式中 T傳遞轉(zhuǎn)矩Nmm螺桿材料的許用應(yīng)力 所以代入公式（5.5）得：=42009.8d122+32009.80.6/0.2d132=2495/d122+361.2/d1323050106=2495/d122+361.2/d13290025001012 =6225025/d14+11236/d1690025001012 6225025d12+11236900d161012 62250250.0292+112369000.02961012得 16471pa535340pa合格2、剪切強(qiáng)度Z=H/P=160/6 （旋合匝數(shù)） （5-7）=F/d1bz （5-8） =2009.8/0.0293.9（160/6）10-3 =206.8103Pa=0.206MPa=40MPa 3、彎曲強(qiáng)度b=3Fh/d1b2z =32009.83/2.93.92（160/6） =0.48MPa=45MPa 合格6. 機(jī)械手的定位緩沖裝置6.1常用的定位方式為了滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要，機(jī)械手應(yīng)具有必要的重復(fù)定位精度。根據(jù)機(jī)械手工作場(chǎng)合及工作情況的不同，搬運(yùn)物件、裝配或操持工具進(jìn)行噴涂、焊接等，都要求有適宜的定位精度。 機(jī)械手定位精度的高低與其手臂承受的負(fù)荷（即臂力）、手臂結(jié)構(gòu)的剛度、運(yùn)動(dòng)速度、工作行程、運(yùn)動(dòng)部件間的配合間隙、定位方法及定位前運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性等因素有關(guān)。液壓機(jī)械手的定位系統(tǒng)可分為機(jī)械擋塊定位和電氣定位系統(tǒng)。最簡(jiǎn)單的方法是利用油缸的活塞（或回轉(zhuǎn)油缸的動(dòng)片）緊靠油缸端蓋（或定片）而定位。如果未實(shí)現(xiàn)完全緩沖時(shí)，就有損壞油缸零件的危險(xiǎn)。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮設(shè)置端部緩沖裝置或在設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)時(shí)增加緩沖回路。常用的機(jī)械擋塊定位結(jié)構(gòu)還包括：插銷(xiāo)定位、多級(jí)油缸定位等。電氣定位系統(tǒng)基本上可分為：開(kāi)關(guān)控制和伺服控制系統(tǒng)。6.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素1機(jī)械手準(zhǔn)確工作涉及到三維定位問(wèn)題，是多個(gè)線量和角度量定位的結(jié)合。在許多更為簡(jiǎn)單的情況下，單個(gè)量值可能占主導(dǎo)地位。影響單線量或角量定位誤差的因素有一下幾點(diǎn)：（1）運(yùn)動(dòng)件的重量運(yùn)動(dòng)件的重量包括機(jī)械人自身的重量G1和被捕捉物體的重量G2。通常被挪動(dòng)物的重量增大時(shí)，定位精度會(huì)隨之變低。于是設(shè)計(jì)中不光是要減小被挪動(dòng)物自身的質(zhì)量，還要考慮到改變工作重量的影響。（2）精度工廠提供的制造精度和操作人員安裝時(shí)的安裝調(diào)速精度都會(huì)會(huì)對(duì)定位精度形成負(fù)面的影響。（3）定位速度定位速度對(duì)定位精度有很大的影響。因?yàn)樗俣炔煌瑫r(shí)，需要不同等的能量。一般來(lái)說(shuō)，為了減小定位誤差，應(yīng)當(dāng)合適的控制定位速度，例如：增添緩沖物的緩沖能力和緩沖效率，并控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及時(shí)放慢速度。（4）剛度當(dāng)機(jī)械手自身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時(shí)，定位精度會(huì)很低，很容易發(fā)生波動(dòng)。（5）定位方式不同的定位方式影響因素不同。如定位機(jī)械擋塊的時(shí)候，定位精度與諸如擋塊的剛度和撞擊擋塊的速度等成分有關(guān)。（6）驅(qū)動(dòng)源液壓的壓力波動(dòng)，氣、電壓波動(dòng)、油溫波動(dòng)、氣溫波動(dòng)都會(huì)影響機(jī)械手的重復(fù)定位精度。因此，要選擇需要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)油溫方式。（7）控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)、電液比例和伺服控制的位置精度是不同的。這不僅是由于各種控制元件的準(zhǔn)確性和靈敏度的差異，而且還與位置的反饋裝置的存在或不存在相關(guān)聯(lián)。本課題使用的定位精度為機(jī)械擋塊定位。6.3機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的緩沖裝置緩沖裝置分為內(nèi)部緩沖和外部緩沖兩種形式。內(nèi)部緩沖形式包括柱面終端緩沖裝置和緩沖回路等。外部緩沖擁有彈性機(jī)械元件和液壓緩沖器。內(nèi)緩沖的長(zhǎng)處是結(jié)構(gòu)單調(diào)、緊湊。但有時(shí)安放位置有局限性；外部緩沖的長(zhǎng)處是安放位置靈動(dòng)，簡(jiǎn)便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較為龐大。常見(jiàn)的緩沖裝置包括三種：固定行程位置、可調(diào)行程位置以及多點(diǎn)定位。該課題選擇的緩沖裝置是油缸端部緩沖裝置。當(dāng)活塞移動(dòng)一定距離時(shí)，緩沖室形成在活塞與端蓋中間間。利用節(jié)流的原理使緩沖室的中間產(chǎn)生暫時(shí)的背壓阻力，從而讓運(yùn)動(dòng)減速直至停止。在緩沖時(shí)，節(jié)流孔是始終不變的，被叫做為恒定節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。7. 總結(jié)與展望本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的機(jī)身被設(shè)計(jì)成機(jī)座式，這樣的機(jī)械手有利于搬運(yùn)工件，并且可以安裝行走裝置。手臂安放在機(jī)座螺柱中間，這種設(shè)計(jì)經(jīng)?？梢栽诨剞D(zhuǎn)型的機(jī)械手上面看到。手臂可以在螺柱上作上下運(yùn)動(dòng)，得到很大的上下行程。電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺柱旋轉(zhuǎn)是機(jī)械手完成升降運(yùn)動(dòng)。手臂的旋轉(zhuǎn)是電動(dòng)機(jī)聯(lián)結(jié)減速器，電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)從而是減速器上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了手臂旋轉(zhuǎn)，這樣就可以是自由度達(dá)到要求。自由度越少，機(jī)械手的動(dòng)作就越單調(diào)；考慮到工業(yè)生產(chǎn)上的特性、工廠所具備的設(shè)備條件，還有設(shè)備損壞帶來(lái)的額外成本等因素，所以設(shè)計(jì)中多選取標(biāo)準(zhǔn)件。所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的設(shè)計(jì)和安裝變的簡(jiǎn)單，維護(hù)也變得更加方便。參考文獻(xiàn)1 丁樹(shù)模,液壓傳動(dòng)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.2 熊幸明,曹才開(kāi),一種工業(yè)機(jī)械手的PLC控制J.微計(jì)算機(jī)信息,2006,11s:120-122.3 孔秀艷,一種四軸搬運(yùn)機(jī)械手的PLC控制J.大眾科技,2008,7:112-113.4 王炳實(shí),機(jī)床電氣控制.第三版J.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004:146-162.5 趙 旭,基于機(jī)電液一體化的液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)及其控制D,2010.6 王雷，金林根，劉志虎機(jī)床機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真J重慶文理學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，33(5)：71-76.7 牛瑞利,基于西門(mén)子PLC的小型搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)D,2013.8 徐 帥,基于PLC的氣動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手控制系統(tǒng)J,2016,9:75-78.9 Wen-Hong Zhu,Joris De Schutter.VIRTUAL DECOMPOSITION BASED MOTION/FORCE CONTROL OF A KUKA361 INDUSTRIAL MANIPULATORJ. IFAC Proceedings Volumes,2002,35(1)：241-246.10 Alejandro Peralta Soler, Colleen W. Marano,Margaret Bryans, Activation of NF-B is necessary for the restoration of the barrier function of an epithelium undergoing TNF-induced apoptosisJ,1999,1:56-66.11 毛毅龍,羅一平,王小明.基于PLC控制的液動(dòng)機(jī)械手設(shè)計(jì)J,2012,4:357-360.12 Akira Abe , Kotaro Hashimoto. A novel feedforward control technique for a flexible dual manipulator J. 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