工業(yè)機械手設計（含三維proe仿真及CAD圖紙）
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工業(yè)機械手設計
THE DESIGN OF INDUSTRIAL MANIPULATOR
摘要
在自動化生產(chǎn)中，工業(yè)機械手是工業(yè)發(fā)展必要的高科技生產(chǎn)設備。本論文首先對工業(yè)機械手的發(fā)展應用及組成分類進行了介紹。接著從工業(yè)機械手的基本功能設計出發(fā)，對機械手的功能原理、結構設計、液壓系統(tǒng)及三維建模分別進行了詳細闡述。綜合運用了大學期間有關于機械設計、機械自動化方面的知識，完成了對此次機械手的設計計算，并繪制了相應的工業(yè)機械手裝配圖及各零部件圖。最后還運用三維仿真軟件對本次設計機械手進行了運動仿真，抓取了機械手手部的運動曲線。
工業(yè)機械手設計的主要技術關鍵問題為：夾持機構的夾緊與翻轉；行程機構的轉向與伸縮；提升機構的提升；液壓系統(tǒng)元件的設計。
關鍵詞 工業(yè)機械手；夾持；液壓系統(tǒng)；運動仿真
Abstract
In automatic production, industrial manipulator is necessary industrial development of high-tech production equipment. Firstly the industrial development of the application and classification of the manipulator are introduced in this paper. Then starting from the basic function of industrial manipulator design, the function of the manipulator principle, structure design, hydraulic system and 3 d modeling in detail respectively in this paper. Integrated use of the university knowledge of mechanical design, mechanical automation, completed the design and calculation of the manipulator, and draw the corresponding industrial manipulator assembly drawing and parts drawing. Finally, using 3 d simulation software for the design of manipulator motion simulation, grab the manipulator hand movement curve.
The mainly key problem of design a mechanical hand is :Clipping the object and revolving;The route of travel organization;the promotion of the organization;The design of the hydraulic system components.
Keywords：Industrial mechanical hand；Gripper；The hydraulic system；Motion simulation
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
1 緒論 1
1.1 工程機械手簡述 1
1.1.1 機械手簡史 1
1.1.2 機械手應用介紹 1
1.2 機械手的組成分類 2
1.2.1機械手的組成 2
1.2.2機械手的分類 2
1.3本次課題研究的主要內容 3
1.3.1主要內容及要求 3
1.3.2 研究內容擬解決的問題 3
2 工業(yè)機械手總體方案設計 4
2.1 機械手總體設計方案擬定 4
2.2機械手總體設計方案選定 5
2.3工業(yè)機械手主要參數(shù) 6
3 機械手執(zhí)行機構設計 8
3.1機械手夾持機構設計 8
3.1.1機械手夾緊力計算 8
3.1.2液壓缸驅動力計算 9
3.1.3液壓缸主要尺寸計算 10
3.1.4液壓缸活塞桿計算及校核 11
3.1.5活塞的選用設計 11
3.1.6復位彈簧設計計算 12
3.1.7液壓缸端蓋、管接頭選擇及油管管道尺寸計算 14
3.1.8機械手腕部回轉缸設計計算 15
3.2機械手腕部設計 17
3.3機械手手臂設計 18
3.4機械手機身底座設計計算 20
3.5機械手回轉臺設計計算 21
3.5.1回轉臺內齒輪傳動設計 21
3.5.2回轉臺內傳動軸設計計算 22
4 液壓驅動控制系統(tǒng)設計 28
4.1液壓驅動系統(tǒng)設計 28
4.1.1調壓回路 28
4.1.2調速回路 29
4.1.3保壓回路 29
4.1.4換向回路 30
4.1.5緩沖回路 30
4.2液壓控制系統(tǒng)設計 31
4.3液壓泵以及液壓元件的選擇 31
5 機械手三維建模及運動仿真 33
5.1機械手三維建模處理 33
5.1.1機械手手部零件建模 33
5.1.2機械手液壓缸建模 33
5.1.3機械手手臂建模 34
5.1.4機械手手腕建模 34
5.1.5機械手回轉工作臺建模 35
5.2機械手ADAMS運動仿真 36
5.2.1ADAMS模型導入 36
5.2.2機械手約束添加 37
5.2.3 ADAMS運動仿真 38
結論 40
致謝 41
參考文獻 42
42
1 緒論
1.1 工程機械手簡述
近些年來，工業(yè)機械手成為產(chǎn)業(yè)自動化控制的一個新興產(chǎn)業(yè)。工業(yè)機械手融入了許多學科知識，成為產(chǎn)業(yè)自動化的代名詞。機械手的主要功能在于代替人工進行作業(yè)，并且能夠完全自動化的、有控制的完成工業(yè)勞動。隨著人類的產(chǎn)業(yè)升級，越來越高級的機械手能夠完成更多更復雜的作業(yè)以及在人類無法適應的環(huán)境下完成動作，機械手的發(fā)展越來越廣泛。
1.1.1 機械手簡史
機械手起始于古代自動機械裝置，早在20世紀中期就開始研究了。一方面，計算機技術機械自動化的發(fā)展，機械手趨向于自動智能化。同時，自動化技術的快速發(fā)展源自工廠大批量生產(chǎn)，各式各樣的機械手紛紛現(xiàn)世。另一方面，因為核能技術的研究要求，在有輻射的環(huán)境下，機械手代替人工來完成任務。在這樣的發(fā)展背景下，美國工業(yè)最早研究機械手。先后開發(fā)了遙控機械手、主從式機械手、示教型機械手等等。此后，美國又試制了一臺控制系統(tǒng)為數(shù)控示教再現(xiàn)型的Unimate機械手。同一年，Versatrap機械手試制成功，其控制系統(tǒng)以磁鼓作為內存儲器，并在之后發(fā)展成為球坐標式通用機械手。這兩種不同的機械手，為國外工業(yè)機械手的發(fā)展奠定了基礎。隨著各方面的發(fā)展，計算機技術、控制系統(tǒng)應用、電子技術以及人工智能等使機械手功能越來越全面，專用型的機械手也慢慢向通用型轉換。
就目前來說，機械手在國內外仍是頗受重視，在自機械手被研究設計以來，這方面的技術研究一直都比較火熱。從第一代機械手被研制以來，第二代主要用來裝卸和傳送工物件。而之后，機械手在汽車行業(yè)裝配線的應用使得第二代機械手達到成熟階段。此后，機械手在特殊領域內得到相對較大的發(fā)展，如醫(yī)療、航天等等。
1.1.2 機械手應用介紹
隨著當今世界科學技術發(fā)展的越來越快，機械工業(yè)領域中的機械化及自動化發(fā)展成為當今最為矚目的話題。隨著工業(yè)發(fā)展越來越趨向于大型化及微型化發(fā)展，大批量生產(chǎn)時如何更高效的進行加工、小批量生產(chǎn)時如何更迅速的生產(chǎn)，機械手的應用及發(fā)展越來越普及。
（1）制造方面的應用：
機械手在制造業(yè)中代替人去完成各種惡劣環(huán)境下的工作（如高溫、真空等工作環(huán)境）以及需要笨重的體力勞動。隨著工業(yè)生產(chǎn)工作效率的提高、工件大型化、產(chǎn)品精度等級提升及人員安全等要求，搬運及裝配等工序過程中，機械化以及自動化要求變得越來越重要。
（2） 服務方面的應用
隨著人工智能的發(fā)展，機械手在服務業(yè)發(fā)展迅速。在軍事方面，讓機器人執(zhí)行一些自動探查與搜索的任務，還能夠代替人工完成完成一些不復雜的工程建設及后勤服務等，從而減少士兵勞動量。在生活方面，能夠為人類完成各種要求，從灑掃機器人到烹飪再到機器人保姆等等，機器人在服務行業(yè)越來越人性化。
此外，機器人還可以輔助監(jiān)測病房內的空氣質量，協(xié)助醫(yī)生完成一些高難度手術等等。
1.2 機械手的組成分類
1.2.1機械手的組成
機械手主要是由傳動機構、控制機構以及驅動機構等其他元器件組成的。
機械手手部的作用是用來抓取以及放置物件的，其主要由手指、傳力部分組成的；傳動機構主要作用是用來改變物件的一些位置以及方向的，它主要包括手臂和手腕；驅動機構主要是用來提供動力的，其主要包括液壓型的驅動、氣壓型的驅動以及電力型的驅動；控制機構主要是用來控制物件的一些位置與時間的；其他機構，比如機體，傳感器機構等。
1.2.2機械手的分類
機械手可以分為以下四類：
1. 按機械手使用的范圍：
（1） 專用類機械手，這一類的機械手一般只有固定的程序。它在某種機器或生產(chǎn)線進行傳輸或操作某一物件，比如給毛坯進行上下料的機械手、自動裝配機械手以及自動車銑機械手等等。這種專用型的機械手結構相對比較簡單，成本也比較低廉，更適用于一些大批量簡單操作的生產(chǎn)單位中。
（2） 通用類機械手，這一類機械手具有可變和單獨驅動的控制系統(tǒng)，不再是某種機器，而是能自動完成物件傳送或操作的機械裝置。通過其定位方式和控制方式的不同，通用類機械手可以分為簡易型和伺服型兩種。簡易型只能夠點位控制，屬于程序控制機械手，伺服型則既能夠進行點位控制，也能夠連續(xù)軌跡控制，屬于數(shù)字控制類型機械手。
2.按機械手使用功能：
（1） 簡易型，該工業(yè)機械手多由氣壓驅動或液壓驅動，結構相對來說比較簡單，分為固定程序和可變程序兩種。簡易型機械手一般只適用于較為簡單的點位控制，只做一些簡單的搬運作業(yè)。
（2） 記憶再現(xiàn)型，此類機械手擁有記憶元件，能夠將動作程序記錄下來，此后機械手就將按記錄下來的程序一遍一遍重復循環(huán)動作。
（3） 數(shù)字控制型，這一類機械手能夠進行編程控制，其動作程序可以更換，適應場合及范圍更廣，還可以多臺計算機控制。此類機械手多配備有可編程控制器或者微型計算機。
（4） 人工智能型，該機械手通過計算機對各種傳感元件的感知進行控制，具有視、聽、觸、熱以及行走機構。
1.3本次課題研究的主要內容
1.3.1主要內容及要求
本次設計的工業(yè)機械手要將工件從一工作臺移至另一工作臺。工件為圓柱形鑄鐵件，其直徑范圍：20—80mm、高度范圍：50—150mm，工件重量小于20Kg。其定位精度為±0.5mm。兩工作臺之間平行且距離為1500mm。一工作臺處于連續(xù)運轉狀態(tài)。
工作量要求：
1.有關文獻研讀；
2.完成設備總裝配圖以及部分重要零部件圖，A0 1張，A1、A2等數(shù)張；
3. 完成設計說明書1份，不少于15000字，打印裝訂成冊；
4.完成不少于5000漢字的英譯漢。
1.3.2 研究內容擬解決的問題
1、對工業(yè)機械手各主要組成部分進行分析，由此來確定機械手各個部件的主要構造，并對各主要部件進行分析計算。
2、確定機械手能夠實現(xiàn)的各種功能，如：手抓去，腕回轉，臂伸縮。
3、設計機械手的傳動系統(tǒng)以及對機械手各部件可靠性的校驗。
2 工業(yè)機械手總體方案設計
2.1 機械手總體設計方案擬定
工業(yè)機械手是一種自動化的機械裝置，能夠按照一定的程序、軌跡以及要求仿照人手，去實現(xiàn)抓取、搬運、卸下甚至其他更復雜的操作。隨著科學技術的發(fā)展，工業(yè)機械手能夠獨立的按照設定程序自動重復作業(yè)，直至完成生產(chǎn)要求。
根據(jù)此次設計內容及要求，本次機械手設計需具備取卸物料、傳輸物料等功能。根據(jù)此次設計要求，有以下多種設計方案：
（1） 機械手臂為直角坐標式，產(chǎn)線為線性布置，機械手能夠按照順序依次完成動作。這個方案的優(yōu)點是結構簡單，配線容易且自由度少；其缺點是機械手需要架空行走、油液站不能固定，讓設計的復雜程度增大的同時也讓運動的質量增大。
圖2-1 坐標式機械手布局示意圖
（2）采用立柱式機身，機械手從側面按順序完成作業(yè)動作，產(chǎn)線仍呈直線布置。此方案的優(yōu)點是液壓站集中設計，且電氣、油路的連接可以實現(xiàn)定點連接，缺點是占地面積較大，手臂懸伸較長。
圖2-2 立柱式機械手示意圖
（3）采用機座式機身，產(chǎn)線環(huán)繞機械手機座布置，機械手按順序完成作業(yè)動作。此方案既有集中電液又有占地面積小的優(yōu)點，還具備從低處抓取工件的功能。
圖2-3 機座式機械手示意圖
2.2機械手總體設計方案選定
機械手采用夾鉗式抓取機構，送放機構由手臂、手腕、回轉臺以及液壓缸等裝置組成。其運動坐標形式為球坐標式機械手，有五個自由度。手腕能夠進行抓取及回轉運動，指型結構為平面型，由液壓缸推動活塞拉動杠桿以夾緊工件。
通過銷軸將機械手腕部和手臂連接并定位，一端用螺母鎖死。利用鉸鏈將腕部與液壓伸縮缸活塞桿連接，這樣，伸縮缸活塞做直線運動的同時使腕部繞著回轉銷軸轉動。機械手腕部的回轉動作則由回轉油缸來完成。
機械手手臂可以相對機身進行回轉運動，能夠繞過障礙夾送工件。機械手俯仰運動由直動式液壓缸驅動，具有工作可靠、結構簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。機身回轉工作臺由電動機驅動齒輪機構進行傳動，并且利用擋塊限制構件的相對運動，起到定位作用，定位誤差大于0.5小于1mm。在常用的傳動機構中，齒輪傳動的傳動效率高、傳動比準確；此外在滿足使用功能、強度等條件下，齒輪傳動能夠滿足機構緊湊要求。而且，設計制造正確合理齒輪工作可靠程度以及使用壽命更是其他機械傳動所不能比擬的。
圖2-4液壓機械手
本次設計的工業(yè)機械手具有五個自由度，包括機械手手腕的抓放、旋轉、俯仰，機械臂的俯仰以及機身工作臺的旋轉五個動作。
2.3工業(yè)機械手主要參數(shù)
工業(yè)機械手的主要參數(shù)可以分為三種：主要功能參數(shù)、規(guī)格參數(shù)以及液壓系統(tǒng)參數(shù)。
主要功能參數(shù)：
1、機械手抓重
工業(yè)機械手的抓重是機械手所能抓取工件的最大重量，按照設計任務書上的要求，根據(jù)外形要求及材料考慮，假設材料為鑄鐵，其密度為，取工件本身質量為12kg。又工業(yè)機械手有一定安全度要求，取其安全系數(shù)為1.3，則得到機械手抓重G為15kg。
2、自由度數(shù)
工業(yè)機械手的自由度數(shù)的多少表明了機械后運動是否靈活，越多的自由度數(shù)意味著機械手功能跟強大，能夠適應更多的工作環(huán)境。但與此同時，自由度數(shù)越多則意味著機械手的結構越復雜、制造精度越高，所以既能很好的完成作業(yè)任務、機械結構又不太復雜的機械手自由度數(shù)一般為4~5。由自由度數(shù)計算公式
式（2.1）
有=65-55=5，即其自由度數(shù)為5。
3、工作速度
機械手在其工作范圍內的平均運動速度就是機械手的工作速度，工作速度是機械手工作頻率以及生產(chǎn)率的一個重要參數(shù)。機械手工作速度越快，其工作效率越高，生產(chǎn)效率更快。但是工作的高速帶來運動過程中更大的機械撞擊及震動，對于機械手的工作精度及其使用壽命都有較大影響。因此，一般機械手的工作速度都根據(jù)生產(chǎn)安全、生產(chǎn)要求、產(chǎn)品精度以及機械手使用壽命來確定。
4、工作范圍
機械手的工作范圍與機械手的抓重、行程、回轉范圍等多方面因素有關。為使機械手具有更強的工作適應性、更大的工作范圍，一般機械手的最大工作范圍由其活動范圍確定，即一個球面的區(qū)域。
5、位置精度
位置精度是衡量機械手在工作時生產(chǎn)的產(chǎn)品是否合格的一個重要參數(shù)。因此，設計機械手的時候對于工件定位、抓取精度、運動穩(wěn)定性以及抓取能力對其位置精度有著很高的要求。位置的控制方式和機械手運動部件的強度、剛度都能影響位置精度的高低，此外機械手的抓重以及工作速度也影響著其位置精度。
液壓系統(tǒng)主要性能參數(shù)確定：
液壓執(zhí)行元件的工作壓力p以及最大流量q影響了液壓系統(tǒng)正常工作的主要性能。液壓執(zhí)行元件的工作壓力以及最大流量是計算和選擇液壓元件、輔件以及電機的主要依據(jù)。液壓系統(tǒng)的工作壓力可根據(jù)最大負載參照表選取，也可根據(jù)設備類型參照表選取。系統(tǒng)設計的是否經(jīng)濟合理取決于工作壓力的大小。查表，擬選液壓系統(tǒng)工作壓力為1.6MPa?？紤]到進油油路的壓損問題，取。又因為液壓系統(tǒng)中有漏油等問題，取修正系數(shù)，機械手抓取及回轉的工作壓力為1.3MPa，選用流量4.5L/min。
式（2.2）
式（2.3）
代入數(shù)據(jù)可計算出： ，可知符合設計要求。
3 機械手執(zhí)行機構設計
3.1機械手夾持機構設計
工業(yè)機械手夾持機構又稱手部，是機械手的關鍵部位之一，用來直接抓取工件或工具按規(guī)定程序完成動作。工業(yè)機械手的夾持結構因為抓取工件的外形、尺寸、材料組成、質量等不同而多種多樣。一般來說，根據(jù)夾持工件的原理，機械手抓取機構可以分為吸附與夾持兩種。夾鉗式抓取機構由驅動機構、傳動機構以及手指三部分組成。夾持式抓取機構具有更大的適應性，能夠對軸、盤或其他非標轉零件進行抓取。其驅動機構為傳動機構提供動力（動力源分為液壓、氣壓和電動等），傳動機構則通過齒輪齒條、連桿機構、渦輪蝸桿等實現(xiàn)手指的夾緊或者松開。
平移型抓取機構通過手指的平移來夾取平板類、方塊類以及圓柱類物料。同時，在夾取不同直徑圓柱棒料時不會引起中心軸線的偏移。但此類抓取機構機構復雜、精度要求更高。而回轉型抓取機構的張開閉合則依靠手指樞軸支點的回轉來完成。單支點回轉型樞軸支點為一個，雙支點回轉型樞軸支點則為兩個。回轉型抓取機構結構相對更為簡單、形狀更為小巧，缺點是抓取不同工件時則會產(chǎn)生定位誤差。
根據(jù)任務書設計要求以及機械手手部結構設計，本次機械手夾持機構為確定為夾鉗式雙支點回轉型機械手。
3.1.1機械手夾緊力計算
加載在工件上的夾緊力對于機械手手部計算至關重要，必須對其進行受力分析和計算。夾緊力計算公式：
式（3.1）
圖3-1水平夾持物體受力圖
當手指水平夾持水平懸臂工件時，取夾緊力的方位系數(shù)
式（3.2）
其中，L=50mm，H=80mm
考慮到工件在移動過程中會產(chǎn)生慣性力、摩擦力等，影響機械的效率，故實際夾緊力：
式（3.3）
式中：
——機械效率，=0.85~0.95 取=0.9
——安全系數(shù)，=1.2-2 取=1.5
——工件情況系數(shù)，，機械手最高響應時間0.2s，故此
式（3.4）
3.1.2液壓缸驅動力計算
圖3-2 液壓缸驅動結構受力圖
由圖可得液壓缸機械手爪的受力公式：
式（3.5）
因為
式（3.6）
所以
式（3.7）
根據(jù)設計的結構可得
3.1.3液壓缸主要尺寸計算
根據(jù)公式計算可得液壓缸內徑：
式（3.8）
帶入，，得：
按JB-826-66標準，取D=30mm，d=10mm
液壓缸壁厚按薄壁計算，根據(jù)
式（3.9）
為試驗壓力，
為許用應力，液壓缸材料選用30鋼，=200MPa
代入數(shù)據(jù)得，
考慮到工藝要求，取
液壓缸外徑及長度計算：
式（3.10）
長度 取 。
3.1.4液壓缸活塞桿計算及校核
液壓缸活塞桿的材料選用45鋼，查詢機械材料手冊對活塞桿直徑d進行計算：
式（3.11）
其中，計算得，則有
根據(jù)GB/T 2348-1993選定活塞桿：D=10mm。
由，可知，活塞桿強度符合設計要求。
3.1.5活塞的選用設計
活塞材料選用20鋼，考慮到密封及緊固問題，將活塞設計如下圖所示：
圖3-3 活塞
因為選用標準密封件，故活塞開槽尺寸得以確定。
活塞的密封圈采用Y型密封圈。Y型密封圈是一種典型的唇形密封圈，因其截面呈Y形故稱Y型密封圈。Y型密封圈的使用壽命遠高于O型密封圈。因Y型密封圈具有可靠的密封性、較小的摩擦阻力、平穩(wěn)的運動性能以及較好耐壓性等優(yōu)點，被廣泛的應用于往復運動中。
此外，活塞桿與活塞的定位采用活塞桿的軸肩定位，采用調整墊片調節(jié)其松緊，并利用開槽圓螺母將其鎖緊。因為活塞桿直徑確定為，軸肩高度為1mm，對于圓螺母的選用，可采用M8圓螺母。查標準GB/T 6179-1986，可知其尺寸如下圖：
圖3-4 開槽圓螺母
同時，查其相配合使用的開口銷，材料為Q2115或者Q235。
圖3-5 開口銷
3.1.6復位彈簧設計計算
圖3-6 復位彈簧鋼絲受力分析圖
液壓缸復位設計采用彈簧復位，彈簧鋼絲的直徑根據(jù)其強度條件來選擇：
因為在一般載荷工作情況下，可以考慮第三類彈簧。根據(jù)，預估彈簧直徑為3mm，選用C級彈簧絲。查表可知：，并可以計算出。
表3-1常用旋繞比C值
d/mm
彈簧絲截面為圓截面，其彈簧曲度系數(shù)計算公式如下式所示：
式（3.12）
由常用旋繞比表可知旋繞比C在，取C=6，則得出：
式（3.13）
計算出。與預估值相近，故取可知彈簧鋼絲大徑
計算彈簧鋼絲圈數(shù)n，此時彈簧鋼絲剛度為：
式（3.14）
代入數(shù)據(jù)得：。
查表可得G=82000MPa，則
式（3.15）
帶入數(shù)值，得，取整數(shù)n=5
對所設計彈簧進行校核
（1） 彈簧初拉力，由公式
式（3.16）
可以求出：，符合設計要求。
（2） 極限工作應力，取，則 。
（3） 極限工作載荷計算：
式（3.17）
圖3-7彈簧幾何尺寸參數(shù)
查詢標準GB/T 1239.6-1992，彈簧鋼絲直徑選定為4mm、自由高度為11mm、中徑為28mm，彈簧鋼絲的有效圈數(shù)為5。彈簧材料為65Mn，硬度要求達到。
3.1.7液壓缸端蓋、管接頭選擇及油管管道尺寸計算
圖3-8液壓缸端蓋
液壓缸端蓋的連接方式采取法蘭式連接，法蘭式連接的優(yōu)點是拆卸方便、強度高以及密封性好。因O型密封圈的截面尺寸小、密封性能好、摩擦系數(shù)小、可用于靜密封和滑動密封等優(yōu)點，適用于本次端蓋密封，故端蓋上的密封圈采用O型密封圈。
管接頭采用擴口式管接頭，管接頭采用55°密封管螺紋，內外螺紋配合更具密封性。
圖3-9管接頭
油管管道內徑由油管內油液流速及流量來確定：
式（3.18）
q——通過油管流量
——油管中油液流速
取油管內流速，根據(jù)GB/T 1047-1995可得油管管徑為3mm。
3.1.8機械手腕部回轉缸設計計算
回轉缸采用單葉片式回轉缸（也叫擺動液壓缸），由定子塊、左右支承盤、擺動軸、葉片、及缸體等零件組成。定子塊則被固定在缸體上，當兩油口通以液壓油時，因為葉片和擺動軸固連在一起，所以葉片將帶動擺動軸進行擺動。
單葉片式回轉缸輸出扭矩：
式（3.19）
式（3.20）
式中：
Z——葉片數(shù)；
D——葉片厚度；
d——擺動軸直徑；
——進口壓力；
——出口壓力；
q——輸入油量
回轉缸油壓選用1.6MPa，出口壓力約為0.2MPa。為了便于葉片固定，初步將擺動軸直徑d定為25mm。
圖3-10 回轉缸剖面圖
葉片與擺動軸之間由定位銷定位，選用內螺紋圓錐銷是因為方便拆卸及維修，而底部螺紋孔則起到拔銷作用。查標準GB/T 118-2000可知A型內螺紋圓錐銷最為合適。
圖3-11 內螺紋圓錐銷
本次設計將液壓伸縮缸及回轉缸結合使用，回轉缸的擺動軸由伸縮缸后端部構成，是為了結構更為緊湊方便操作，同時也能夠集中控制液壓系統(tǒng)。
圖3-12回轉缸伸縮缸組合剖視圖
3.2機械手腕部設計
通過銷軸機械手腕部與機械手手臂鉸接，使得腕部與機械手臂能夠繞著銷軸相對轉動。在銷軸與機械手臂之間加一個耐磨青銅軸套，以保證銷軸回轉精度和延長其使用壽命。軸套與機械手臂采用基孔制配合，為防止軸與軸套在回轉過程中因熱量產(chǎn)生變形，選用配合。機械手腕部回轉由液壓伸縮缸驅動，液壓伸縮缸活塞桿與固定在腕部的連桿連接。
圖3-13活塞桿接頭結構圖
圖3-13為液壓缸活塞桿接頭構造圖，接頭孔徑為，與之相對的活塞桿直徑也為。
圖3-14液壓缸雙耳環(huán)支座參數(shù)
3.3機械手手臂設計
機械手手臂作俯仰運動時，可由下圖運算出驅動力：
圖3-15機械手手臂受力圖
式（3.21）
（） 式（3.22）
式（3.23）
式（3.24）
式（3.25）
式中：
P——作用在活塞上的驅動力；
P——液壓缸工作力；
D——伸縮缸內徑；
——密封裝置的摩擦阻力；
——非工作缸油壓。
當機械手臂處于俯角時，驅動力力矩為：
當手臂處于水平位置時，，此時驅動力矩為：
當機械手手臂作俯仰運動時，其驅動力力矩需克服手臂作俯仰運動時產(chǎn)生的偏重力矩、慣性力矩以及各運動副之間的摩擦力矩。即：
式（3.26）
初步確定機械手手臂尺寸：
圖-16機械手手臂
機械手手臂受力分析
圖3-17 手臂受力分析
根據(jù)手臂在水平方向上的力平衡公式：，則有
式（3.27）
同理，豎直方向上力平衡公式：，則有
式（3.28）
在O點，所有力力矩平衡：，則有：
3.4機械手機身底座設計計算
機械手機身底座設有安裝耳環(huán)，液壓缸耳環(huán)與機身底座安裝耳環(huán)通過銷軸鉸接，并用螺栓鎖死。既能保證液壓缸在回轉和直線運動中不會發(fā)生偏轉又能夠滿足液壓缸在機身上的定位要求。機身底座設計如下圖：
圖3-18機械手機身底座
具體機身底座設計參數(shù)如下：
圖3-19機身底座具體參數(shù)
3.5機械手回轉臺設計計算
回轉工作臺的箱體上設有光孔，并且有安裝底座，因此機械手機身底座可以安放在工作臺上。箱體材料選用HT200中等材料的灰鑄鐵，并經(jīng)過時效處理。本次機械手的定位方式將行程開關以及機械擋塊結合使用。機械手臂轉動到一定角度時，碰到擋塊并壓下行程開關（設置擋塊為保證回轉精度）。由壓力繼電器發(fā)出信號，經(jīng)時間繼電器控制，使得機械手停頓一段時間再開始進行下一個動作（停頓時間由時間繼電器設定）。
3.5.1回轉臺內齒輪傳動設計
圖3-20圓錐直齒輪
通過一對軸交角為90°的圓錐直齒輪可以將水平方向的扭矩轉換為豎直方向的扭矩。因為直齒錐齒輪具有齒形簡單、容易制造以及低成本等優(yōu)點，故采用直齒錐齒輪。齒輪材料選用45鋼，需調質處理并表面淬火，使其硬度要求達到。
為了保證傳動的連續(xù)性，傳動軸上齒輪的安裝位置應可靠，又因為空套齒輪和固定齒輪通常用彈性檔圈、軸肩、隔套和半圓環(huán)等作軸向固定。在這里采用隔套，并利用齒輪壓板將齒輪進行軸向定位和緊固。
圖3-21齒輪軸向定位
3.5.2回轉臺內傳動軸設計計算
根據(jù)傳動軸的設計要求得知，設計傳動軸時在滿足必要的強度要求外還需要有一定的剛度。為避免傳動軸在疲勞載荷作用下發(fā)生損壞，需要對傳動軸的強度要求進行計算。而傳動軸是否會在在載荷下產(chǎn)生過大的彎曲變形，則需要對其進行剛度要求計算。因為回轉臺主傳動系統(tǒng)精度要求不是很高，允許有少量的變形。因此，軸的強度不需要檢驗（載荷很大的情況除外）。而如果剛度達不到要求，傳動軸會因此產(chǎn)生過大變形，那么軸上的零部件（齒輪、軸承等）就不能正常工作。因此，必須要對傳動軸進行剛度計算，以保證其一定的在載荷下不發(fā)生變形。
選用45鋼作為傳動軸的材料，對其進行調質處理使其硬度達到。
傳動軸的直徑設計計算：
式（3.29）
式中：
d——傳動軸的直徑
——傳動軸的許用應力
T——傳動軸的額定扭矩
查表可得：，T=9550000，則計算出傳動軸直徑：
取安全系數(shù)，則d=27mm，將軸徑圓整取其值為30mm。
傳動軸應力校核：
式（3.30）
式中：
——軸截面上的工作應力；
M——軸截面上的合成彎矩；
T——軸截面上的轉矩；
——根據(jù)轉應力而定的應力校正系數(shù)
根據(jù)
式（3.31）
算出，轉動軸的轉應力在一定規(guī)律周期內循環(huán)，即為脈動循環(huán)應力，故取α=0.7。
查手冊可得，T=9550，則
式（3.32）
傳動軸剛度校核：
對于傳動軸的彎曲剛度驗算，主要是驗算傳動軸上的撓度和傾角（裝有齒輪和軸承）。傳動軸的撓度和傾角應小于其許用值和，即
表3-2各類傳動軸的許用撓度及傾角
傳動軸的類型
許用撓度
軸承類型
許用傾角
一般用途的軸
滑動軸承
0.001
剛度要求較高的軸
向心球軸承
0.005
安裝齒輪的軸
圓柱滾子軸承
0.0025
由于此次設計的回轉工作臺回轉精度要求不高、由擋塊定位，且對于運動的平穩(wěn)性要求不高及轉速不高，所以不需要對軸進行開槽、鉆孔或者切制螺紋，軸的疲勞強度也不會因此受到影響。
圖3-22軸剖視圖
由于回轉工作臺回轉時所需的扭矩較大，故采用花鍵傳遞扭矩。又考慮到需要較大的承載能力以及需要具有較好的定心性及導向性等問題，決定使用矩形花鍵。
矩形花鍵軸的平均直徑：
式（3.33）
當量直徑：
式（3.34）
慣性矩：
式（3.35）
花鍵的校核：
側面工作表面被壓潰是花鍵的主要失效形式，其連接強度的計算公式為：
式（3.36）
滾動軸承設計計算
（1） 滾動軸承的壽命計算：
壽命計算如下式：
式（3.37）
式中：
L——滾動軸承的額定壽命；
C——滾動軸承的額定動載荷；
P——滾動軸承的當量負載荷；
——滾動軸承的壽命指數(shù)。對于球軸承：，對于滾子軸承：。
由于在實際計算中用小時數(shù)表示軸承的額定壽命更為方便，故可將上式變換為：
式（3.38）
式中：
——滾動軸承的額定壽命；
——滾動軸承的計算轉速；
滾動軸承的當量動載荷計算公式為：
式（3.39）
式中：
——滾動軸承的徑向負荷；
——滾動軸承的軸向負荷；
X——滾動軸承的徑向系數(shù)；
Y——滾動軸承的軸向系數(shù)。
（2） 滾動軸承的挑選
根據(jù)軸承額定靜負載的基本公式來挑選軸承，其計算公式為：
式（3.40）
式中：
——軸承的當量靜載荷；
——軸承的額定靜負荷；
——安全系數(shù)。
式（3.41）
聯(lián)立以上兩式，取最大值。
步進電動機的選擇：
一般來說，電動機的選擇分三個步驟
1、 電動機的類型和結構；
2、 電動機的容量；
3、 電動機的轉速。
計算步進電機的負載轉矩
式（3.42）
式中：
——步進電機的脈沖當量；
——步進電機的進給牽引力；
——步進電機的步距角，初選；
——傳動效率。
根據(jù)機械傳動效率表，齒輪、軸承和絲杠效率分別選擇為0.98、0.99、0.94。代入數(shù)據(jù)可得：
步進電機的啟動轉矩計算：
最大靜轉矩計算：
電機運行頻率和最高啟動頻率：
式（3.43）
式（3.44）
式中：
——最大切削進給速度；
——最大快移速度；
——脈沖當量。
計算出，
查得110BF004型步進電機最大靜轉矩為遠大于最大靜轉矩，所以能夠滿足最大靜轉矩要求?？紤]到會需要更大切削用量的問題，決定選用更大轉矩的130BF001型步進電機。經(jīng)查驗，130BF001型步進電機的最高空載起動頻率和運行頻率均滿足要求。
步進電機轉矩校核
電機軸上總的轉動慣量計算：
式（3.45）
式中：
——步進電機轉子轉動慣量；
G——工作臺及工件等移動部件重量；
——齒輪的轉動慣量。
130BF001式步進電機的轉子轉動慣量為：
轉動慣量的計算：
式（3.46）
將鋼材的材料密度代入上式得：
式中：
——圓柱體質量；
D——圓柱體直徑；
L——圓柱體長度。
由此計算出：
將其帶入式（1）得：
式（3.47）
由此計算出：
因為傳動系統(tǒng)與步進電機會產(chǎn)生慣性匹配的問題，對其進行對比計算：
由上式可知，滿足慣性匹配要求。
4 液壓驅動控制系統(tǒng)設計
4.1液壓驅動系統(tǒng)設計
此次設計的液壓驅動系統(tǒng)包括調壓回路、調速回路、保壓回路、換向回路以及緩沖回路五個回路，液壓系統(tǒng)圖如下所示
圖4-1液壓系統(tǒng)原理圖
4.1.1調壓回路
為減少液壓系統(tǒng)中的動力消耗和發(fā)熱等問題，一般液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力與工作負載息息相關。采用雙聯(lián)定量泵為其系統(tǒng)進行供油，液壓系統(tǒng)最高工作壓力的調定或限制由溢流閥來決定。當系統(tǒng)正常工作時，溢流閥常閉，液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力取決于外載荷；當系統(tǒng)壓力值升高達到溢流閥調定壓力值時，溢流閥溢流，此時系統(tǒng)壓力為溢流閥的調定值。
圖4-2調壓回路
4.1.2調速回路
機械手作俯仰動作時采用的是雙聯(lián)同步液壓缸，需要保持兩液壓缸以相同的位移及速度。同步回路由分流閥控制，使得進入液壓缸的油液流量相等以此達到同步缸同步。此時，溢流閥更多是用于維持系統(tǒng)壓力，使其保持恒定。在調速回路中，正常工作時溢流閥為常開，溢出多余油液以維持系統(tǒng)壓力的平衡。
圖4-3調速回路
4.1.3保壓回路
此次設計中，保壓回路采用高壓小泵和低壓大泵復合使用。當回路中壓力較低時，高壓小泵和低壓大泵同時供油；當壓力逐步提升至卸荷閥調定壓力值時，小泵供油維持溢流閥調定壓力值，大泵卸荷不工作。液壓系統(tǒng)在保壓時液壓缸微量移動，只有小泵供油，系統(tǒng)能耗較低。
圖4-4保壓回路
4.1.4換向回路
換向回路主要由換向閥控制，換向閥選用三位四通換向閥，其機能為O型。當閥芯處于中位時各油路封閉不卸荷、液壓缸封閉并鎖緊。
圖4-5三位四通換向閥
當機械手臂轉動到一定角度時，手臂碰到擋塊停留一段時間。這時候，液壓缸活塞桿不移動但仍保持一定壓力，以維持機械手工作壓力。此時換向閥處于中位機能，使得各油路封閉，通過重力加壓使整個回路變?yōu)椴顒踊芈?，為下一步油缸運動加速。
4.1.5緩沖回路
緩沖回路用蓄能器以減少沖擊，當回路壓力迅速提升時，蓄能器能夠吸收系統(tǒng)流量脈動，使得脈動降低到很小的程度，實現(xiàn)緩沖。當液壓系統(tǒng)所需流量較小時，蓄能器能夠將多余的流量儲存起來；當液壓系統(tǒng)短時間所需流量較大時，蓄能器能夠將儲存的壓力油釋放出來。此外，當驅動泵發(fā)生故障時，蓄能器還能作為應急能源對液壓系統(tǒng)進行緊急供油。
圖4-6緩沖回路
4.2液壓控制系統(tǒng)設計
控制系統(tǒng)采用內在反饋開環(huán)控制系統(tǒng)，內在反饋系統(tǒng)內部各參數(shù)之間互相聯(lián)系，對動態(tài)性能有很大的影響，且不容易控制。系統(tǒng)在運動狀態(tài)下，同樣有著信息的傳輸與交換。因此系統(tǒng)需要通過反饋校正來調整系統(tǒng)的性能。當控制系統(tǒng)的一些參數(shù)，比如說壓力等，隨著工作條件改變而發(fā)生大幅度改變時，控制系統(tǒng)能夠得到適時的反饋，從而消除參數(shù)波動等對系統(tǒng)的影響。但是開環(huán)系統(tǒng)雖然系統(tǒng)簡單，但精度不是很高。
圖4-7反饋校正框圖
4.3液壓泵以及液壓元件的選擇
為了在機械手工作過程中減少機械手爪對工件的夾放以及手臂的回轉速度變化較大時引起的系統(tǒng)能耗過大問題，采用雙聯(lián)葉片泵進行供油。雙聯(lián)葉片泵由一個小流量泵和一個大流量泵組成。當需要快速進給時,兩個流量泵同時供油，此時系統(tǒng)壓力比較低；當系統(tǒng)工進時,由小流量泵供油，此時系統(tǒng)壓力較高。通過調定溢流閥的調定壓力值來控制兩泵。選用YB-6/40型雙聯(lián)葉片泵，該葉片泵的系統(tǒng)壓力為1.6~2.5MPa，電機功率為5.5kw，同步轉速為1500r/min。
油箱容量選為25L，并裝有濾油器。裝濾油器的主要目的是濾去較大的雜質，使進入液壓系統(tǒng)的油液保持一定的清潔度。因為液壓系統(tǒng)中的系統(tǒng)壓力為1.6~2.5MPa，故選取普通的網(wǎng)式濾油器就足夠，安裝在液壓泵的吸油口，此時吸油口應放置于油箱液面以下。
液壓系統(tǒng)原件選定：
溢流閥：Y6-60；
單向閥：Y10B；
調速閥：Q63B；
節(jié)流閥：L-25B；
換向閥：34E-63B 。
驅動缸的選擇計算：
驅動缸內徑即為回轉缸內徑，缸筒內徑計算公式：
式（4.1）
代入數(shù)據(jù)得
活塞桿直徑d=0.45D=0.4540=18mm。
按標準JB2183-77，選D=40mm，d=20mm。
按標準GB1068-67得驅動缸外徑，行程S為650mm。
驅動缸壁厚校核：
由于，驅動缸壁厚按薄壁計算：
式（4.2）
代入數(shù)值得：。
顯然，，故，驅動缸壁厚安全。
5 機械手三維建模及運動仿真
5.1機械手三維建模處理
工業(yè)機械手采用Pro/E三維建模軟件對本次設計零部件進行初步建模。由設計內容可知，此次建模構件主要有機械手手指、機械手手腕、機械手手臂、液壓缸、回轉工作臺以及其他緊固零件。
5.1.1機械手手部零件建模
機械手手部零件建模過程如下：
（1） 選擇基準平面，草繪繪制手指指型端面，利用拉伸工具對草繪圖形進行拉伸；
（2） 利用拉伸工具，對機械手手指端部分別進行拉伸去除材料；
（3） 利用孔工具，對手指零件繪制所有的孔；
（4） 建模完畢。
圖5-1 機械手手指建模
5.1.2機械手液壓缸建模
機械手液壓缸建模過程如下：
（1） 選擇基準平面，草繪液壓缸草繪圖形，運用拉伸工具，拉伸出液壓缸設計外形；
（2） 利用拉伸工具，對初步拉伸出的液壓缸進行修改，去除不必要材料；
（3） 利用拉伸工具，拉伸出液壓缸安裝耳環(huán)；
（4） 利用孔工具，繪制液壓缸安裝孔；
（5） 根據(jù)以上步驟分別完成另外兩個液壓缸零件建模。
圖5-2 液壓缸建模
5.1.3機械手手臂建模
機械手手臂建模過程如下：
（1） 選擇基準平面，繪制出手臂草圖，利用拉伸工具拉伸機械手手臂輪廓；
（2） 利用拉伸工具，去除多余材料；
（3） 利用孔工具，繪制手臂上設計好的通孔。
圖5-3機械手手臂建模
5.1.4機械手手腕建模
機械手手腕建模過程如下：
（1） 選擇基準平面，繪制機械手手腕草圖，點擊拉伸工具；
（2） 根據(jù)草圖，選擇拉伸長度128mm，完成拉伸；
（3） 利用孔工具，繪制出所有的孔。
圖5-4 機械手手腕建模
5.1.5機械手回轉工作臺建模
回轉工作臺建模過程如下：
（1） 利用旋轉工具，繪制旋轉中心線，草繪回轉圖形；
（2） 對草繪圖形繞中心線旋轉，回住處回轉工作臺；
（3） 利用拉伸工具，繪制出底座安裝耳環(huán)；
（4） 利用孔工具，繪制出所有設計孔。
圖5-5 機械手回轉臺建模
機械手各零件建模完成后，依次進行零件裝配，機械手裝配效果圖如下：
圖5-6 機械手裝配效果圖
5.2機械手ADAMS運動仿真
在未真正生產(chǎn)出真實的產(chǎn)品以前就進行仿真模擬，提前知道產(chǎn)品的各種性能，防止各種設計缺陷的存在,提出改進意見，優(yōu)化設計。運動學仿真在機械手模型裝配完成之后，不考慮摩擦以及力的施加。只在模型中添加必要的運動副，對其施加動力，使之能夠進行動作模擬并得到運動分析。
5.2.1ADAMS模型導入
由于Pro/E與ADAMS軟件存在接口問題，所以需要對其格式進行轉換。將機械手模型轉入ADAMS中時因為兩者存在圖形格式轉換時帶來圖形缺失的問題，需要確認導入模型是否存在零件顯示缺失，確認后返回到Pro/E中重新進行修改完善。將Pro/E中建立好的三維模型另存為格式，導入ADAMS中，外觀選擇Shaded。
圖5-7 ADAMS模型導入及外觀選擇
圖為ADAMS導入零件模型：
圖5-8 ADAMS導入模型
5.2.2機械手約束添加
對導入ADAMS中的模型進行約束添加，因為模型簡單的原因，添加的約束多為固定約束和旋轉約束以及幾個圓柱約束。
圖5-9 固定約束添加
依次添加固定約束和旋轉約束，并對其進行簡單仿真以便方便查驗。
圖5-10 模型約束添加
5.2.3 ADAMS運動仿真
機械模型創(chuàng)建完成后，設置模型中想要的移動和旋轉速度。設置好參數(shù)后，選擇工具箱中的Simulation按鈕，窗口中顯示出仿真按鈕及其選項。設置仿真時間為4s，工作步為1000。
圖5-11 仿真按鈕及選項
鼠標左擊開始按鈕，ADAMS開始進行仿真。
根據(jù)仿真模型運動情況，觀察是否存在錯誤。仿真完成后，觀察有關變量的變化曲線。
圖5-12 機械手手爪標記點X軸運動曲線
圖5-13 機械手手爪標記點Y軸運動曲線
結論
隨著現(xiàn)代社會的迅速發(fā)展，人類追求生產(chǎn)效率的提高，工業(yè)機器人的設計開發(fā)影響著工業(yè)產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級。工業(yè)機械手作為機器人重要的一部分，關系到機器人的設計發(fā)展。本次的畢業(yè)設計對工業(yè)機械手的手部、腕部、手臂以及機身底座都作了系統(tǒng)化的設計計算，考慮到各種驅動的優(yōu)缺點，采用液壓傳動。此外，在結構設計上，綜合考慮了機械手的結構實用性、強度、剛度等因素，并進行了校核。
當然，初次進行產(chǎn)品設計，基于經(jīng)驗的積累及只是水平的局限，設計難免顯得稚嫩、粗糙，還望老師見諒并予以指正。
致謝
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