機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) (2)

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1、 焦 作 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 題目 液壓傳動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系別 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè) 　　　機(jī)械制造與自動(dòng)化專(zhuān)業(yè) 　　　　　　　　 班級(jí) 1001086班 姓名 劉笑笑 學(xué)號(hào) 100108643 指

2、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(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 設(shè)計(jì)題目： 液壓傳動(dòng)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)要求： 1. 總裝配圖以及部分結(jié)構(gòu)圖至少五個(gè)圖（折合為兩張A1圖紙） 2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論文（5000字以上） 設(shè)計(jì)進(jìn)度要求： 第一周：選擇畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shū)寫(xiě)設(shè)計(jì)論文 第六周：檢查各項(xiàng)數(shù)據(jù)及論文 第七周 第八周

3、：畫(huà)裝配圖 指導(dǎo)教師（簽名）： 摘 要 本次設(shè)計(jì)的液壓傳動(dòng)機(jī)械手根據(jù)規(guī)定的動(dòng)作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識(shí)和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，完成對(duì)機(jī)械手的設(shè)計(jì)，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(dòng)。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(jì)只是液壓機(jī)械手的結(jié)構(gòu)部分，擬開(kāi)發(fā)的上料機(jī)械手可在空間抓放物體，動(dòng)作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險(xiǎn)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)

4、 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-----------------

5、----------------------------------------------------------------- （1） 1.3 確定運(yùn)動(dòng)速度-------------------------------------------------------- （1） 1.4 手臂的配置形式------------------------------------------------------ （2） 1.5 位置檢測(cè)裝置的選擇-------------------------------------------------- （2） 1.6 驅(qū)動(dòng)

6、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(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題-----

7、-----------------------------------------------------------------------（4） 2.3 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 -----------------------------------------------------------------------------------------（5） 2.4 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析------------------------------------------------------------（8） 3 腕部的結(jié)構(gòu)---------------------------

8、------------------------------------------------------------（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(dòng)力矩的計(jì)算-----

9、------------------------------------------------（11） 4 臂部的結(jié)構(gòu)-------------------------------------------------------------------------------------（14） 4.1 概述----------------------------------------------------------------------------------------------------（14） 4.2手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)-------------------------

10、----------------------------------------------------------（14） 4.2.1手臂伸縮運(yùn)動(dòng)------------------------------------------------------------------------------------（15） 4.2.2 導(dǎo)向裝置---------------------------------------------------------------------------------------（15） 4.2.3 手臂的升降運(yùn)動(dòng)------------------

11、-------------------------------------------------------------（16） 4.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)----------------------------------------------------------------------------------------（17） 4.4 手臂的橫向移動(dòng)-------------------------------------------------------------------------------------（17） 4.5 臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算--------------

12、----------------------------------------------------------------（18） 4.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算------------------------------------------------------------（18） 4.5.2 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算------------------------------------------------------------（19） 4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算---------------------------------------（1

13、9） 5 致謝 -----------------------------------------------------------------------------------------------------（21） 6參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------------------------------------------（22 1.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(guó)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

14、機(jī)械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.5~3，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(dòng)的軌跡來(lái)確定。一個(gè)操作運(yùn)動(dòng)的軌跡是幾個(gè)動(dòng)作的合成，在確定的工作范圍時(shí)，可將軌跡分解成單個(gè)的動(dòng)作，由單個(gè)動(dòng)作的行程確定機(jī)械手的最大行程。本機(jī)械手的動(dòng)作范圍確定如下： 手腕回轉(zhuǎn)角度±115° 手臂伸長(zhǎng)量150mm 手臂回轉(zhuǎn)角度±115° 手臂升降行程170mm 手臂水平運(yùn)動(dòng)行程100mm 1.3 確定運(yùn)動(dòng)速度 機(jī)械手各動(dòng)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(gè)動(dòng)

15、作的時(shí)間，進(jìn)而確定各動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)速度。液壓上料機(jī)械手要完成整個(gè)上料過(guò)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(dòng)作，這些動(dòng)作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成，具體時(shí)間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對(duì)分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。 機(jī)械手的總動(dòng)作時(shí)間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行，要按時(shí)間長(zhǎng)的計(jì)算，分配各動(dòng)作時(shí)間應(yīng)考慮以下要求： ① 給定的運(yùn)動(dòng)時(shí)間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時(shí)間； ② 伸縮運(yùn)動(dòng)的速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性一般大于伸縮運(yùn)動(dòng)的慣性。在滿(mǎn)足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運(yùn)動(dòng)速度。機(jī)械手

16、的運(yùn)動(dòng)速度與臂力、行程、驅(qū)動(dòng)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。 ③ 在工作拍節(jié)短、動(dòng)作多的情況下，常使幾個(gè)動(dòng)作同時(shí)進(jìn)行。為此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動(dòng)作的同步。 液壓上料機(jī)械手的各運(yùn)動(dòng)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)動(dòng)速度

17、 V柱移 = 50 mm/s 手指夾緊油缸的運(yùn)動(dòng)速度 V夾 = 50 mm/s 1.4 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(dòng)要求、操作環(huán)境、工作對(duì)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(dòng)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(dòng)，工作范圍較大。 1.5 位置檢

18、測(cè)裝置的選擇 機(jī)械手常用的位置檢測(cè)方式有三種：行程開(kāi)關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機(jī)械手采用行程開(kāi)關(guān)式。利用行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)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(kāi)關(guān)與機(jī)械擋塊檢測(cè)定位既精度高又簡(jiǎn)單實(shí)用可靠，故應(yīng)用也是最多的。 1.6 驅(qū)動(dòng)與控制方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)與控制方式是根據(jù)它們的特點(diǎn)結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來(lái)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(lèi)型。除一些專(zhuān)用機(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 驅(qū)動(dòng)方式一般有四種：氣壓驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。 參考《工

19、業(yè)機(jī)器人》表9-6和表9-7，按照設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)，控制方式為固定程序的PLC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(zhuān)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(méi)有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)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(jì)各種類(lèi)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

20、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(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題 ①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 ②手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角 兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 ③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位

21、 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)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(dòng)定心。 ④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(dòng)過(guò)程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)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形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，自重輕。 ⑤應(yīng)考慮被抓取對(duì)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(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。 2.3 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊

22、工件或夾持專(zhuān)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(méi)有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)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(jì)各種類(lèi)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。 ①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過(guò)程中

23、所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。 ②手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角 兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。手指的開(kāi)閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開(kāi)。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 ③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(duì)位置，必須根據(jù)被 1.手指 2.銷(xiāo)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(xiāo)軸2向上的拉力為P，并通過(guò)銷(xiāo)軸中心O點(diǎn)，兩手指1的滑槽對(duì)銷(xiāo)軸的反作用力為P1、P2，其力

24、的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點(diǎn)，P1和P2的延長(zhǎng)線交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷(xiāo)軸的力平衡條件，即 ∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα 銷(xiāo)軸對(duì)手指的作用力為p1′。手指握緊工件時(shí)所需的力稱(chēng)為握力（即夾緊力），假想握力作用在過(guò)手指與工件接觸面的對(duì)稱(chēng)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 P1′h=Nb 因 h=a/cos

25、α 所以 P=2b(cosα)N/a 式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心線的距離（毫米）。 α——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力P一定時(shí)，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過(guò)大，以及手指滑槽尺寸長(zhǎng)度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取α=30°~40°。這里取角α=30度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈活，手指開(kāi)閉角大等特點(diǎn)。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力

26、的大小。為了考慮工件在傳送過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力P實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即： P實(shí)際=PK1K2/η 式中 η——手部的機(jī)械效率，一般取0.85~0.95； K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2 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(jì)，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)速度為500毫米/秒，移動(dòng)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°,α=30°時(shí)，拉緊油缸

27、的驅(qū)動(dòng)力P和P實(shí)際計(jì)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(jì)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(dòng)力計(jì)算公式 P=2b(cosα)N/a 得 P=P計(jì)算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N) P實(shí)際=P計(jì)算K1K2/η 取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1 則 P實(shí)際=122.5*1

28、.5*1.1/0.85=238(N) 2.4 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 圖2 帶浮動(dòng)鉗口的鉗爪 鉗口與鉗爪的連接點(diǎn)E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對(duì)稱(chēng)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(shí),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(shí),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(jì)算得 最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8 故符合

29、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(jì)腕部時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 ② 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性要好。 ③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個(gè)自由度的位置檢測(cè)、管線的布置以及潤(rùn)滑、維修、調(diào)整等問(wèn)題 ④ 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(guò)，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回

30、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(xiāo)子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)片與手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(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 圖3 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu) 3.3手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)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(dòng)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕

31、轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 （N.m） 式中 M驅(qū)——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 M慣——慣性力矩 （N.m） M偏——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m） M摩——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m） 圖4 腕部回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算圖 ⑴ 摩擦阻力矩M摩 M摩 =（N1D1+N

32、2D2） （N.m） 式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動(dòng)軸承取f=0.02，滑動(dòng)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(jì)知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020時(shí) M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2 得 M摩 =2.50（N.m） ⑵ 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏

33、 M偏 =G1 e （N.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(shí)，M偏為零 當(dāng)e=0.020，G1=98N時(shí) M偏 =1.96 （N·m） ⑶ 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩M慣 ① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時(shí)，可用下式計(jì)算M慣 M慣 =（J+J工件） （N·m） 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）

34、T——手腕啟動(dòng)過(guò)程中所用時(shí)間（s），（假定啟動(dòng)過(guò)程中近為加速運(yùn)動(dòng)） J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m） J工件——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kg·m） 按已知計(jì)算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2 故 M慣 = 1.3（N·m） ② 當(dāng)知道啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度時(shí)，也可以用下面的公式計(jì)算M慣： M慣=（J+J工件） （N·m） 式中

35、——啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度（rad）; ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）。 考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取 M =1.1∽1.2 （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(gè)自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)。手臂的回轉(zhuǎn)

36、和升降運(yùn)動(dòng)是通過(guò)立柱來(lái)實(shí)現(xiàn)的。；立柱的橫向移動(dòng)即為手臂的橫向移動(dòng)。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)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(dòng)形式、自由度數(shù)、運(yùn)動(dòng)速度及其定位精度的要求來(lái)設(shè)計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)臂部時(shí)一般要注意下述要求： ① 剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理

37、。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(shí)心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ② 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動(dòng)中，沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 ③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對(duì)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(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少偏重力矩和整個(gè)手臂對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 ④ 運(yùn)動(dòng)要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運(yùn)動(dòng)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(dòng)即不平穩(wěn)，定位精度也不會(huì)高。

38、故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時(shí)要采取一定的緩沖措施。 4.2手臂直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 機(jī)械手手臂的伸縮、升降及橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)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(dòng) 這里實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)是采用液壓驅(qū)動(dòng)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(guò)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(shí)，則推動(dòng)活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)向桿

39、3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動(dòng)，以防止手臂伸縮時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)（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(jiǎn)單，傳動(dòng)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(zhǎng)的場(chǎng)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(dòng)的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）運(yùn)動(dòng)時(shí)，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，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(jì)手臂的結(jié)構(gòu)時(shí)，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它根據(jù)手臂的安裝

40、形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動(dòng)部件的重量和減少手臂對(duì)回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動(dòng)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)，并兼做手部和手腕油路的管道。對(duì)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(duì)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(gè)導(dǎo)向桿連接起

41、來(lái)，支承架的兩側(cè)安裝兩個(gè)滾動(dòng)軸承2，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動(dòng)時(shí)，支承架上的滾動(dòng)軸承就在支承板3的支承面上滾動(dòng)。 圖6 雙導(dǎo)向桿手臂結(jié)構(gòu) 4.2.3 手臂的升降運(yùn)動(dòng) 如圖6所示為手臂的升降運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時(shí)，活塞杠4做上下運(yùn)動(dòng)，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動(dòng)套筒3做升降運(yùn)動(dòng)。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵9實(shí)現(xiàn)。圖中6為位置檢測(cè)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(dòng) 實(shí)現(xiàn)手

42、臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)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(dòng)由齒條活塞桿8驅(qū)動(dòng)齒輪，帶動(dòng)配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)缸體上的平鍵9帶動(dòng)外套一起轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。 4.4 手臂的橫向移動(dòng) 如圖7所示為手臂的橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)。手臂的橫向移動(dòng)是由活塞缸5來(lái)驅(qū)動(dòng)的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺(tái)1用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過(guò)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(shí)，其缸體就帶動(dòng)滑臺(tái)1，沿著燕尾形滑座2做橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 圖8 手臂橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)

43、 4.5 臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 計(jì)算臂部運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力（包括力矩）時(shí)，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時(shí)，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(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂做水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)過(guò)程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算： Pq = Fm + Fg (N) 式中 Fm——各支承處的摩擦阻力； Fg——啟動(dòng)過(guò)程中的慣性力，其大小可按下式估算：

44、 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(dòng)過(guò)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(shí)，則這個(gè)過(guò)程的速度變化量就等于手臂的工作速度； △t ——啟動(dòng)過(guò)程中所用的時(shí)間，一般為0.01∽0.5s。 當(dāng)Fm=

45、80N,W=1098（N），△V = 500mm/s時(shí)， Pq = 80+* =80+112=192 (N) 4.5.2 臂垂直升降運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 手臂作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運(yùn)動(dòng)部件的重力，故其驅(qū)動(dòng)力Pq可按下式計(jì)算： Pq = Fm + Fg ± W (N) 式中 Fm——各支承處的摩擦力（N）； Fg——啟動(dòng)時(shí)慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況計(jì)算； W——臂部運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）；

46、 ±——上升時(shí)為正，下降時(shí)為負(fù)。 當(dāng)Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W =1098N時(shí) Pq=40+100+1098=1238（N） 4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來(lái)計(jì)算。由于啟動(dòng)過(guò)程一般不是等加速度運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)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(dòng)力矩Mq可按下式計(jì)算： Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m) 式中

47、 Mm——各支承處的總摩擦力矩； Mg——啟動(dòng)時(shí)慣性力矩，一般按下式計(jì)算： Mg = J (N·m) 式中 J——手臂部件對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg·m）; ——回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）; △t——回轉(zhuǎn)臂啟動(dòng)時(shí)間（s） 當(dāng)Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m) Mq = 1.3*116=150.8(N·m)

48、 對(duì)于活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量都要做詳細(xì)計(jì)算，因?yàn)檫@些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對(duì)總的計(jì)算結(jié)果影響也較大，對(duì)于小零件則可作為質(zhì)點(diǎn)計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，對(duì)其質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量忽略不計(jì)。對(duì)于形狀復(fù)雜的零件，可劃分為幾個(gè)簡(jiǎn)單的零件分別進(jìn)行計(jì)算，其中有的部分可當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)計(jì)算。可以參考《工業(yè)機(jī)器人》表4-1。 5 致 謝 在本設(shè)計(jì)的開(kāi)題論證、課題研究、論文撰寫(xiě)和論文審校整個(gè)過(guò)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(jì)得以順利完成，其中無(wú)不飽含著老師的汗水和心血。老師敏銳的學(xué)術(shù)思想、嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的治學(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識(shí)、精益求精的工作作風(fēng)

49、、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(duì)本設(shè)計(jì)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(jì)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(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，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(duì)學(xué)術(shù)態(tài)度的嚴(yán)謹(jǐn)性也有了很高的認(rèn)識(shí)。我相信在以后的學(xué)習(xí)和工作過(guò)程中，一定可以好好的解決問(wèn)題，提高自己的能力，較快地適應(yīng)工作和社會(huì)激烈的競(jìng)爭(zhēng)。 再次感謝所有支持和幫助過(guò)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(jì)[M]. 東北大學(xué)出版社， 2003

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