機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 (2)

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1、焦 作 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計題目 液壓傳動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計 系別 機(jī)電工程學(xué)院 專業(yè)機(jī)械制造與自動化專業(yè) 班級 1001086班 姓名 劉笑笑 學(xué)號 100108643 指導(dǎo)教師 劉敬平 日期 2012年11月 22機(jī)電工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目：液壓傳動機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計要求：1. 總裝配圖以及部分結(jié)構(gòu)圖至少五個圖（折合為兩張A1圖紙）2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計論文（5000字以上）設(shè)計進(jìn)度要求：第一周：選擇畢業(yè)設(shè)計課題第二周 第三周：查閱相關(guān)資料，了解機(jī)械手結(jié)構(gòu)原理及其相關(guān)數(shù)據(jù)第四周 第五周：書寫設(shè)計論文第六周：檢查各項數(shù)據(jù)及論文第七周 第八周：畫裝配圖 指導(dǎo)教師（簽名）： 摘 要 本次設(shè)

2、計的液壓傳動機(jī)械手根據(jù)規(guī)定的動作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計專業(yè)知識，完成對機(jī)械手的設(shè)計，并繪制必要的裝配圖，機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機(jī)械器件組成，采用液壓驅(qū)動。主要結(jié)構(gòu)為：手部結(jié)構(gòu)、腕部結(jié)構(gòu)、臂部結(jié)構(gòu)。本設(shè)計只是液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)部分，擬開發(fā)的上料機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手，臂部結(jié)構(gòu)，腕部結(jié)構(gòu)，手部結(jié)構(gòu) 目 錄1機(jī)械手參數(shù)確定- （1）1.1 臂力的確定- （1）1.2工作范圍的確定- （1）1.3 確定運(yùn)動速度- （1）1.4 手臂的配置形式- （2）1.5

3、位置檢測裝置的選擇- （2）1.6 驅(qū)動與控制方式的選擇- （3）2 手部結(jié)構(gòu)-（4） 2.1概述-（4）2.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題-（4）2.3 驅(qū)動力的計算 -（5）2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析-（8）3 腕部的結(jié)構(gòu)-（10）3.1 概述-（10）3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式-（10）3.3手腕驅(qū)動力矩的計算-（11）4 臂部的結(jié)構(gòu)-（14）4.1 概述-（14）4.2手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)-（14）4.2.1手臂伸縮運(yùn)動-（15）4.2.2 導(dǎo)向裝置-（15）4.2.3 手臂的升降運(yùn)動-（16）4.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動-（17）4.4 手臂的橫向移動-（17）4.5 臂部運(yùn)動驅(qū)動力計算-

4、（18）4.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動驅(qū)動力的計算-（18）4.5.2 臂垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力的計算-（19）4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩的計算-（19）5 致謝 -（21）6參考文獻(xiàn)-（221.機(jī)械手參數(shù)確定1.1 臂力的確定 目前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機(jī)械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.53，本機(jī)械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為1mm。1.2 工作范圍的確定 機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動的軌跡來確定。一個操作運(yùn)動的軌跡是幾個動作的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動

5、作的行程確定機(jī)械手的最大行程。本機(jī)械手的動作范圍確定如下： 手腕回轉(zhuǎn)角度115手臂伸長量150mm手臂回轉(zhuǎn)角度115手臂升降行程170mm手臂水平運(yùn)動行程100mm1.3 確定運(yùn)動速度 機(jī)械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進(jìn)而確定各動作的運(yùn)動速度。液壓上料機(jī)械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)，平移等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內(nèi)完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。 機(jī)械手的總動作時間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進(jìn)行，要按時間長的計算，分配各動作時

6、間應(yīng)考慮以下要求： 給定的運(yùn)動時間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間； 伸縮運(yùn)動的速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動的速度，因為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的慣性一般大于伸縮運(yùn)動的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運(yùn)動速度。機(jī)械手的運(yùn)動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進(jìn)行。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動作的同步。 液壓上料機(jī)械手的各運(yùn)動速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 = 40/s 手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s 手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 = 40/s 手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s 立柱水平運(yùn)

7、動速度 V柱移 = 50 mm/s 手指夾緊油缸的運(yùn)動速度 V夾 = 50 mm/s1.4 手臂的配置形式 機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運(yùn)動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動，工作范圍較大。1.5 位置檢測裝置的選擇 機(jī)械手常用的位置檢測方式有三種：

8、行程開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機(jī)械手采用行程開關(guān)式。利用行程開關(guān)檢測位置，精度低，故一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機(jī)械手中，用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應(yīng)用也是最多的。1.6 驅(qū)動與控制方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。 控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專門的控制系統(tǒng)的設(shè)計。 驅(qū)動方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。 參考工業(yè)機(jī)器人表9-6和表9-7，按照設(shè)計要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，控制方式為固定程序的PLC

9、控制。2 手部結(jié)構(gòu)2.1概述手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運(yùn)動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，這里采用滑槽杠桿式。2.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題 應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）

10、 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 手指間應(yīng)有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶V形面的手指，以便自動定心。 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變

11、形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 應(yīng)考慮被抓取對象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計和確定手指的形狀。2.3 驅(qū)動力的計算 手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運(yùn)動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連

12、桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等，這里采用滑槽杠桿式。 應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。 手指間應(yīng)有一定的開閉角 兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座圖1 滑槽杠桿式手部受力分析如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸

13、中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于O1OA和O2OA均為直角三角形，故AOC=BOC=。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 Fx=0,P1=P2;Fy=0P=2P1cosP1=P/2cos 銷軸對手指的作用力為p1。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即m01(F)=0得 P1h=Nb 因 h=a/cos 所以 P=2b(cos)N/a式中 a手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（

14、毫米）。 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動力P一定時，角增大則握力N也隨之增加，但角過大會導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取=3040。這里取角=30度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)中表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力P實際應(yīng)按以下公式計算，即： P實際=PK1K2/式中 手部的機(jī)械效率，一般取0.850.9

15、5； K1安全系數(shù)，一般取1.22 K2工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運(yùn)動時的最大加速度，g為重力加速度。 本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120,=30時，拉緊油缸的驅(qū)動力P和P實際計算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計算公式 N=0.5G 把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為 N=49（N） 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式 P=2b(cos)N/a 得 P=P計算=2*45/27(cos3

16、0)*49=122.5(N) P實際=P計算K1K2/ 取=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/98101.1 則 P實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 圖2 帶浮動鉗口的鉗爪 鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對稱中心O到工件中心O的距離為x,則 x=當(dāng)工件直徑變化時,x的變化量即為定位誤差,設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時,其最大定位誤差為 =- 其中l(wèi)=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120 ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm代入公式計算得 最大定位誤差=44.2-

17、44.7=0.50.8 故符合要求.3 腕部的結(jié)構(gòu)3.1 概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計腕部時要注意以下幾點： 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為115. 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動片與手

18、部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 圖3 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)3.3手腕驅(qū)動力矩的計算 驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算： M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 （N.m） 式中 M驅(qū)驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 M慣慣性力矩 （N.m） M偏參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部

19、、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m） M摩手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m） 圖4 腕部回轉(zhuǎn)力矩計算圖 摩擦阻力矩M摩 M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m） 式中 f軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.02，滑動軸承取f=0.1； N1 、N2 軸承支承反力 （N）； D1 、D2 軸承直徑（m）由設(shè)計知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020時 M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2 得 M摩 =2.50（N.m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏 M偏 =G1 e （N

20、.m） 式中 G1工件重量（N） e偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，M偏為零 當(dāng)e=0.020，G1=98N時 M偏 =1.96 （Nm） 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時，可用下式計算M慣 M慣 =（J+J工件） （Nm） 式中 手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） T手腕啟動過程中所用時間（s），（假定啟動過程中近為加速運(yùn)動） J手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kgm） J工件工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （kgm） 按已知計算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2 故 M慣 = 1.3（Nm） 當(dāng)知道啟動過程所

21、轉(zhuǎn)過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣： M慣=（J+J工件） （Nm） 式中 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）; 手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）。 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取 M =1.11.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m） M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m） 4 臂部的結(jié)構(gòu)4.1 概述 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實現(xiàn)的。；立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各種

22、運(yùn)動通常由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動形式、自由度數(shù)、運(yùn)動速度及其定位精度的要求來設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部時一般要注意下述要求： 剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂

23、桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對運(yùn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度，要盡量減少臂部運(yùn)動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 運(yùn)動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運(yùn)動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。4.2手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu) 機(jī)械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運(yùn)動，而實現(xiàn)

24、手臂往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。4.2.1手臂伸縮運(yùn)動 這里實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動是采用液壓驅(qū)動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂機(jī)構(gòu)中應(yīng)用比較多。如下圖所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線運(yùn)動。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動，以防止手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單

25、，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。可用于抓重大、行程較長的場合。 圖5 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)4.2.2 導(dǎo)向裝置 液壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。目前采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿和其他的導(dǎo)向裝置，本機(jī)械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。 雙導(dǎo)向桿配置在手臂伸縮油缸兩側(cè)，并兼做手部和手腕

26、油路的管道。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。 如圖5所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。如圖4.3.2所示，在導(dǎo)向桿1的尾端用支承架4將兩個導(dǎo)向桿連接起來，支承架的兩側(cè)安裝兩個滾動軸承2，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動時，支承架上的滾動軸承就在支承板3的支承面上滾動。 圖6 雙導(dǎo)向桿手臂結(jié)構(gòu)4.2.3 手臂的升降運(yùn)動 如圖6所示為手臂的升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠4做上下運(yùn)動，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動套筒3做

27、升降運(yùn)動。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵9實現(xiàn)。圖中6為位置檢測裝置。 圖7 手臂升降和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖4.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動 實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。本機(jī)械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖6所示，回轉(zhuǎn)運(yùn)動由齒條活塞桿8驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動，再通過缸體上的平鍵9帶動外套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。4.4 手臂的橫向移動 如圖7所示為手臂的橫向移動機(jī)構(gòu)。手臂的橫向移動是由活塞缸5來驅(qū)動的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺1用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過兩塊連接板3用螺釘固定在滑座2上。當(dāng)活塞缸5通壓力油時，其缸體就帶動滑臺1，沿著燕尾形滑座2做橫向往復(fù)運(yùn)動

28、。 圖8 手臂橫向移動機(jī)構(gòu)4.5 臂部運(yùn)動驅(qū)動力計算 計算臂部運(yùn)動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。4.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動驅(qū)動力的計算 手臂做水平伸縮運(yùn)動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力Pq可按下式計算： Pq = Fm + Fg (N) 式中 Fm各支承處的摩擦阻力； Fg啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算： Fg = a (N) 式中 W 手臂伸縮部件的總重量 （N）； g 重力加速度（9.8m/s）; a 啟動過

29、程中的平均加速度（m/s）， 而 a = (m/s) v 速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度； t 啟動過程中所用的時間，一般為0.010.5s。 當(dāng)Fm=80N,W=1098（N），V = 500mm/s時，Pq = 80+* =80+112=192 (N)4.5.2 臂垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力的計算 手臂作垂直運(yùn)動時，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運(yùn)動部件的重力，故其驅(qū)動力Pq可按下式計算： Pq = Fm + Fg W (N) 式中 Fm各支承處的摩擦力（N）； Fg啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動時的情況計算； W臂

30、部運(yùn)動部件的總重量（N）； 上升時為正，下降時為負(fù)。 當(dāng)Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W =1098N時 Pq=40+100+1098=1238（N）4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩的計算 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運(yùn)動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動力矩Mq可按下式計算： Mq = 1.3(Mm + Mg ) (Nm) 式中 Mm各支承處的總摩擦力矩； Mg啟動時慣性力矩，一般按下式計算： Mg = J (Nm) 式中 J手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kgm）; 回轉(zhuǎn)手臂的

31、工作角速度（rad/s）; t回轉(zhuǎn)臂啟動時間（s） 當(dāng)Mm=84(Nm)，Mg=8=32(Nm) Mq = 1.3*116=150.8(Nm) 對于活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細(xì)計算，因為這些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對總的計算結(jié)果影響也較大，對于小零件則可作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動慣量，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量忽略不計。對于形狀復(fù)雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進(jìn)行計算，其中有的部分可當(dāng)作質(zhì)點計算?？梢詤⒖脊I(yè)機(jī)器人表4-1。5 致 謝在本設(shè)計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)，使得本設(shè)計得以順利完成，其中無不飽含著老師的汗水和心血。老師敏

32、銳的學(xué)術(shù)思想、嚴(yán)謹(jǐn)踏實的治學(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識、精益求精的工作作風(fēng)、誨人不倦的育人精神，將永遠(yuǎn)銘記在學(xué)生心中，使學(xué)生終生受益。他對本設(shè)計的構(gòu)思、框架和理論運(yùn)用給予了許多深入的指導(dǎo)，使得設(shè)計得以順利完成。在此謹(jǐn)向尊敬的老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。通過這次畢業(yè)設(shè)計，大大的提高了我們的自主學(xué)習(xí)和認(rèn)真思考的能力，對學(xué)術(shù)態(tài)度的嚴(yán)謹(jǐn)性也有了很高的認(rèn)識。我相信在以后的學(xué)習(xí)和工作過程中，一定可以好好的解決問題，提高自己的能力，較快地適應(yīng)工作和社會激烈的競爭。再次感謝所有支持和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)們。6 參考文獻(xiàn) 1 孫志禮、冷興聚、魏延剛等 . 機(jī)械設(shè)計M. 東北大學(xué)出版社， 2003 2 徐灝. 機(jī)

33、械設(shè)計手冊M第5卷. 機(jī)械工業(yè)出版社， 1992 3 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計師手冊M. 機(jī)械工業(yè)出版社， 2002 4 成大先. 機(jī)械設(shè)計圖冊M. 化學(xué)工業(yè)出版社， 2002年5 羅洪量 . 機(jī)械原理課程設(shè)計指導(dǎo)書M（第二版）. 高等教育出版社，1986 6 JJ.杰克（美）. 機(jī)械與機(jī)構(gòu)的設(shè)計原理M（第一版）. 機(jī)械工業(yè)出版社，1985 7 王玉新. 機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計方法學(xué)M（第一版）. 天津大學(xué)出版社， 1996 8 張建民. 工業(yè)機(jī)器人BM. 北京理工大學(xué)出版社，1992 9 黃繼昌、徐巧魚、張海貴等. 實用機(jī)械機(jī)構(gòu)圖冊B M. 人民郵電出版社，1996 10 天津大學(xué)工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)編寫組. 工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)B M. 天津科學(xué)技術(shù)出版社，1981 11 大連理工大學(xué)工程畫教研室. 機(jī)械制圖M. 高等教育出版社，2003，