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本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)
曲軸搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
院系名稱： 機(jī)電工程學(xué)院
專業(yè)班級： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化08—12
學(xué)生姓名： 杜 松
指導(dǎo)教師： 國紹文
職 稱： 講 師
黑 龍 江 工 程 學(xué) 院
二○一二年六月
The Graduation Design for Bachelor's Degree
Electro-Mechanical Systems Design of Manipulator for Crankshaft Handling
Candidate：Du Song
Specialty：Mechanical Design and
Manufacture & Automation
Class：08-12
Supervisor：Lecturer. Guo Shaowen
Heilongjiang Institute of Technology
2012-06·Harbin
黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化生產(chǎn)線在企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，機(jī)械手作為自動(dòng)化生產(chǎn)線的重要組成部分也得到了長足的發(fā)展和進(jìn)步。尤其是隨著機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，氣動(dòng)、液壓技術(shù)的成熟，控制元件的發(fā)展和控制方式的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，機(jī)械手的動(dòng)作精確性、控制靈活性和工作可靠性得到了明顯的改善。機(jī)械手的出現(xiàn)在減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度和難度、提高工作效率和質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本上做出了突出貢獻(xiàn)，機(jī)械手的發(fā)展在企業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)收上起到了舉足輕重的作用。本課題是一個(gè)機(jī)、電結(jié)合較為緊密的實(shí)用性項(xiàng)目，文中對電氣的應(yīng)用、機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、控制方法的選擇等方面進(jìn)行了必要的探討。最后，總結(jié)了全文，指出了機(jī)械手的改進(jìn)措施、應(yīng)用前景和發(fā)展方向。
關(guān)鍵字：機(jī)械手；液壓驅(qū)動(dòng)；電氣；自動(dòng)；控制元件
ABSTRACT
With the development of science and technology，automated production line is widely used in enterprise production, the manipulator as an important part of the automated production line also got considerable development and progress. Especially with the optimization of mechanical structures, pneumatic, hydraulic technology matures, control elements development and control of continuous improvement and innovation, the action of the robot accuracy, control, flexibility and reliability has been a marked improvement .Manipulator made outstanding contributions to reduce labor intensity and difficulty, to improve work efficiency and quality, reduce production costs, Robot development has played a pivotal role in the development of enterprises and income-generating. This issue is a mechanical, electrical, combined with the more closely the usefulness of project, The necessary discussion on the application of electrical, mechanical structure design, choice of control methods etc. Finally, summarizes the full-text, pointed out that the manipulator’s improvement measures, the application prospect and development direction.
Key Words: Manipulator；The hydraulic pressure drive；Electric；Auto；Control components
II
黑龍江工程學(xué)院學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)
目 錄
摘要……………………………………...........……………………………………………..I
Abstract……………………………………………...……..........……….………….……..II
第1章 緒論.............................................................................................................. ..........1
1.1 工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）的概述....................................................................................1
1.1.1 工業(yè)機(jī)器手的發(fā)展 ..........................................................................................1
1.1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類..........................................................................................2
1.1.3 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用..........................................................................................2
1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.........................................................................................................3
1.3 本課題的預(yù)期結(jié)果....................................................................................................4
第2章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì).............................................................................................5
2.1 設(shè)計(jì)要求....................................................................................................................5
2.2 機(jī)械手總體設(shè)計(jì)方案................................................................................................5
2.2.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系....................................................................................5
2.2.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù) ..................................................................................................5
2.2.3 總體方案擬定..................................................................................................7
2.3 本章小結(jié)....................................................................................................................9
第3章機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析....................................................................................10
3.1 末端操作器的設(shè)計(jì)分析..........................................................................................10
3.2 末端操作器的概述..................................................................................................10
3.1.1 末端操作器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)分析........................................................................10
3.1.2 末端操作器的設(shè)計(jì)........................................................................................10
3.3 手腕的設(shè)計(jì)..............................................................................................................11
3.4 手臂的設(shè)計(jì)..............................................................................................................12
3.5 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì)..................................................................................................13
3.6 本章小結(jié)..................................................................................................................................15
第4章 機(jī)械手各部件載荷及結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算..........................................................17
4.1 設(shè)計(jì)要求分析..........................................................................................................17
4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的及尺寸設(shè)計(jì)..................................................................................17
4.2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算............................................................................17
4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)的及尺寸的確定..............................................................................22
4.4 手臂俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定..............................................................................24
4.5 手腕擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定..............................................................................................24
4.6 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定..............................................................................................24
4.7 強(qiáng)度校核..................................................................................................................24
4.8 彎曲穩(wěn)定性校核......................................................................................................25
4.9 本章小結(jié)..................................................................................................................26
第5章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)...............................................................................................27
5.1 液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量的確定......................................................................27
5.1.1 液壓缸工作時(shí)所需流量................................................................................27
5.2 液壓馬達(dá)工作時(shí)的流量..........................................................................................28
5.3 液壓缸或液壓馬達(dá)主要零件的結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)要求..........................................28
5.3.1 缸體................................................................................................................28
5.3.2 缸蓋................................................................................................................29
5.3.3 活塞................................................................................................................29
5.3.4 活塞桿............................................................................................................29
5.3.5 液壓缸的緩沖裝置........................................................................................29
5.3.6 液壓缸的排氣裝置........................................................................................30
5.4 制定基本方案..........................................................................................................30
5.4.1 基本回路的選擇............................................................................................30
5.5 液壓元件的選擇......................................................................................................31
5.5.1 液壓泵的選擇................................................................................................31
5.5.2 液壓泵所需電機(jī)功率的確定........................................................................32
5.5.3 液壓閥的選擇....................................................................................... .........33
5.5.4 液壓輔助元件的選擇原則............................................................................33
5.5.5 油箱容量的確定............................................................................................35
5.5.6 液壓原理圖....................................................................................................35 5.6 本章小結(jié)..................................................................................................................37
第6章 電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)......................................................................................38
6.1 電氣控制的概述......................................................................................................38
6.2 控制電路..................................................................................................................38
6.2.1 控制電路的組成............................................................................................38
6.2.2 繼電器的選擇................................................................................................38
6.2.3 接觸器的選擇................................................................................................39
6.2.4 斷路器............................................................................................................40
6.3 電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理..............................................................................................40
6.4 電氣系統(tǒng)的控制順序..............................................................................................41
6.5 本章小結(jié)..................................................................................................................42
結(jié)論.......................................................................................................................................43
參考文獻(xiàn).............................................................................................................................44
致謝.......................................................................................................................................45
附錄.......................................................................................................................................46
曲軸搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1 工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）的概述
1.1.1 工業(yè)機(jī)器手的發(fā)展
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化。
機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部安裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動(dòng)）。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲(chǔ)裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動(dòng)公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-Vic-arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時(shí)間（注：故障前平均時(shí)間是指一臺(tái)設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時(shí)間），由400小時(shí)提高到1500小時(shí)，精度可提高到±0.1毫米。
德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報(bào)道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺(tái)。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺(tái)。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。
第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范圍還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造等領(lǐng)域中。
1.1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類
表1.1 機(jī)器人分類
分類名稱
簡要解釋
操作型機(jī)器人
能自動(dòng)控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個(gè)自由度，可固定或運(yùn)動(dòng)，用于相關(guān)自動(dòng)化系統(tǒng)
程控型機(jī)器人
按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動(dòng)作
示教再現(xiàn)型機(jī)器人
通過引導(dǎo)或其他方式，先教會(huì)機(jī)器人動(dòng)作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動(dòng)重復(fù)進(jìn)行工作
數(shù)控型機(jī)器人
不必使機(jī)器人動(dòng)作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)
感覺控制型機(jī)器人
利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動(dòng)作
適應(yīng)控制型機(jī)器人
機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境變化，控制自身的行為
學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人
機(jī)器人能“體會(huì)”工作經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)能力，并能將所“學(xué)”的經(jīng)濟(jì)用于工作中
智能機(jī)器人
以人工智能決定其行為的機(jī)器人
關(guān)于機(jī)器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。一般的分類方式如上表1.1所示：
1.1.3 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)械手是伴隨工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)裝備。它綜合應(yīng)用了機(jī)械，電子，自動(dòng)控制等先進(jìn)技術(shù)以及物理，生物等學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動(dòng)化的有機(jī)結(jié)合而廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門。
工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的必然產(chǎn)物。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件和握持工具進(jìn)行操作的自動(dòng)化技術(shù)裝備。這種新穎技術(shù)裝備的出現(xiàn)和應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強(qiáng)大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。
工業(yè)上應(yīng)用的機(jī)械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結(jié)構(gòu)形式亦各有不同，技術(shù)復(fù)雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂，手腕和手的部分動(dòng)作及功能；一般都能按預(yù)定程序，自動(dòng)地，重復(fù)循環(huán)地進(jìn)行工作。此外，還有些非自動(dòng)化的裝備，具有與人體上肢類似的部分動(dòng)作，結(jié)構(gòu)上與工業(yè)機(jī)械手是一致的，亦可歸屬于工業(yè)機(jī)械手的范疇。例如，早期就有一種由人直接用繩索牽引進(jìn)行操作的隨動(dòng)機(jī)械手和近期發(fā)展起來的由人工進(jìn)行操作的機(jī)械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遙控的非自動(dòng)的單循環(huán)的機(jī)械手等。
實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人的繁重勞動(dòng)，顯著減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期，頻繁，單調(diào)的操作，采用機(jī)械手是有效的；此外，它還能在高溫，低溫，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展的狀況
國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場具有如下特征：（1）國內(nèi)汽車業(yè)。汽車制造業(yè)屬于技術(shù)、資金密集型產(chǎn)業(yè)，也是自動(dòng)化程度要求高、競爭相當(dāng)激烈的行業(yè)?？梢哉f，汽車工業(yè)的發(fā)展史近幾年我國工業(yè)機(jī)器人增長的主要原動(dòng)力之一。（2）沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。國內(nèi)相當(dāng)數(shù)量的企業(yè)技術(shù)實(shí)力得到很大提高，生產(chǎn)設(shè)備更新?lián)Q代，為了更好地適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，提高生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)競爭力，改善工人勞動(dòng)條件，企業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求不斷增加。（3）外商獨(dú)資企業(yè)、中外合資企業(yè)。外商獨(dú)資或中外合資企業(yè)自動(dòng)化程度一般比較高，導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人的需求量較大。（4）國內(nèi)一些現(xiàn)代化水平比較高的企業(yè)。國內(nèi)一些汽車廠、軍工企業(yè)、船舶行業(yè)等。
1.3 本課題的預(yù)期結(jié)果
在生產(chǎn)實(shí)踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進(jìn)行合理的安排，組成一條自動(dòng)流水加工線。但在流水線上加工時(shí)，需要許多工人搬運(yùn)工件，有時(shí)勞動(dòng)強(qiáng)度較大。當(dāng)生產(chǎn)效率很高時(shí)，為了減少工人數(shù)量，改善工人的勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率這就需要使自動(dòng)線上工件搬運(yùn)自動(dòng)化。于是針對這一問題就提出了要研制一種通過電氣控制的搬運(yùn)機(jī)械手來代替工人實(shí)現(xiàn)工件的搬運(yùn)上線，并且能滿足定位和重復(fù)定位精度。用搬運(yùn)機(jī)械手來代替工人搬運(yùn)工件可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少自動(dòng)線上的工人數(shù)目，減輕工作量，同時(shí)也提高了生產(chǎn)效率并且精度也得到了保障。而事實(shí)上，在生產(chǎn)領(lǐng)域真正用來加工的時(shí)間一般不大于整個(gè)生產(chǎn)時(shí)間的10％，大部分時(shí)間是用在了工件的搬運(yùn)、裝夾等輔助工序上。從這個(gè)方面可以看出研制一種自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)械手的迫切性和重要性，它能大大提高生產(chǎn)的效率。
第2章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)要求
某生產(chǎn)線上搬運(yùn)工件原由人工完成, 勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)線的工作效率, 降低成本, 使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng), 適應(yīng)現(xiàn)代自動(dòng)化大生產(chǎn), 針對具體生產(chǎn)工藝, 利用機(jī)器人技術(shù), 設(shè)計(jì)用一臺(tái)搬運(yùn)機(jī)械手代替人工工作。
該機(jī)械手能完成如下的動(dòng)作循環(huán)：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)→手腕回轉(zhuǎn)→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。
工作對象為50~100mm，重量為40~60kg的曲軸，定位精度為±1。
2.2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案
2.2.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系
機(jī)械手由三大部分（機(jī)械部分、液壓部分、控制部分）六個(gè)子系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)）組成。
機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機(jī)身（立柱）、機(jī)座。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)器是把從動(dòng)力源獲得的能量變換成機(jī)械能，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的驅(qū)動(dòng)形式有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動(dòng)（例如超聲波驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)等）。
控制系統(tǒng)：機(jī)器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同，主要可分為點(diǎn)位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。
2.2.2總體設(shè)計(jì)任務(wù)
(1) 結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì): 機(jī)械手常見的運(yùn)動(dòng)形式有1）直角坐標(biāo)型2）圓柱坐標(biāo)型3）球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型4）關(guān)節(jié)型（回轉(zhuǎn)坐標(biāo)）型5）平面關(guān)節(jié)型五種。
圓柱坐標(biāo)型是由三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。
直角坐標(biāo)型，其運(yùn)動(dòng)部分的三個(gè)相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間大，靈活性較差。
球坐標(biāo)型，它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動(dòng)作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
關(guān)節(jié)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰運(yùn)動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)，其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的工件。
平面關(guān)節(jié)型，采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)控制上下運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。
綜上，本次設(shè)計(jì)中采用圓柱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。
(2) 自由度的確定：自由度(Degrees of Freedom),指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，不包括末端操作器的開合度。在運(yùn)動(dòng)形式上分為為直線運(yùn)動(dòng)P，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)R。自由度數(shù)的多少反映了這種機(jī)械手能完成動(dòng)作的復(fù)雜程度，根據(jù)對機(jī)械手必須完成的動(dòng)作的研究，設(shè)計(jì)四個(gè)自由度的機(jī)械手即可完成所規(guī)定的工作任務(wù)。從機(jī)座到手腕，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式為旋轉(zhuǎn)-直線-直線-旋轉(zhuǎn)，即RPPR型。
(3) 驅(qū)動(dòng)方式的選擇:1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)2）氣壓驅(qū)動(dòng)3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)4）機(jī)械聯(lián)動(dòng)四種，其中液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)較為通用。
液壓驅(qū)動(dòng)：結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動(dòng)、防爆性好。而且液壓技術(shù)比較成熟，具有動(dòng)力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。
氣壓驅(qū)動(dòng)：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便、清潔等特點(diǎn)，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中，但對速度很難進(jìn)行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實(shí)現(xiàn)伺服控制。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)：步進(jìn)或伺服電機(jī)可用于程序復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手； 異步電機(jī)、直流電機(jī)適用于抓重大、速度低的專用機(jī)械手；電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，控制方式靈活，安裝維修方便。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。
機(jī)械聯(lián)動(dòng)：動(dòng)作可靠，動(dòng)作范圍小，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適用于自由度少、速度快的專用機(jī)械手。
并且，同其他轉(zhuǎn)動(dòng)方式相比較，傳動(dòng)功率相同時(shí)，液壓傳動(dòng)裝置的重量輕，體積緊湊，可實(shí)現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍大。運(yùn)動(dòng)件的慣性小，能夠頻繁順序換向，傳動(dòng)工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸著震，并能自動(dòng)防止過載。與電氣配合，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和操作自動(dòng)化，與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種自動(dòng)控制工作。液壓元件基本已經(jīng)上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，利于CAD技術(shù)的應(yīng)用、提高工效，降低成本。容易達(dá)到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉(zhuǎn)距）。液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作較平穩(wěn)，可靠，并可實(shí)現(xiàn)較高的位置精度。液壓傳動(dòng)中，力，速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。液壓裝置采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑效能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。
綜上，本次設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)。
(4) 控制方式的選擇:1）點(diǎn)位控制方式（PTP）2）連續(xù)軌跡控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。
點(diǎn)位控制的特點(diǎn)是只控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿。控制時(shí)只要求工業(yè)機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，而對達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不做任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間。由于其控制方式易于實(shí)現(xiàn)，常應(yīng)用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊等工業(yè)機(jī)器人。
連續(xù)軌跡控制的特點(diǎn)是連續(xù)的控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而且速度可控，軌跡光滑且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是工業(yè)機(jī)器人末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機(jī)器人。
力（力矩）控制方式常用于準(zhǔn)確定位并要求使用適度的力或力矩來完成裝配、抓放物體等工作。
智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識(shí)，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識(shí)庫相應(yīng)做出決策。采用智能控制技術(shù)的機(jī)器人具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)能力，技術(shù)難度及成本要求都比較高。
綜上，本次設(shè)計(jì)采用點(diǎn)位控制。
另外該機(jī)械手的動(dòng)作是有順序要求的，控制系統(tǒng)采用電氣控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的工序動(dòng)作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
綜合上述，此次采用電-液伺服點(diǎn)位控制，可以很好的完成自動(dòng)線工作。
2.3 總體設(shè)計(jì)方案擬定
因?yàn)楸緳C(jī)械手工作范圍大，位置精度要求高。考慮本機(jī)械手工作要求的特殊情況，本設(shè)計(jì)采用懸臂式四自由度的機(jī)械手，如下圖2.1所示：
1-機(jī)座 2-機(jī)身 3-俯仰手臂 4-手臂 5-手腕 6-手指
圖2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)簡圖
機(jī)座：起支撐機(jī)身的作用，同時(shí)與地面通過地腳螺栓固定承受著機(jī)械手整體的比較大的壓力。由于體積大，所以用鑄造，鑄造材料為鑄鐵。
機(jī)身：保證了整個(gè)機(jī)械手能夠連接在一起從而保證機(jī)械手能夠順利的完成各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)，由于體積大，所以用鑄造，機(jī)身的材料為鑄鐵。機(jī)身分為上、下機(jī)身體，上、下機(jī)身通過螺栓連接在一起，擺動(dòng)液壓缸放在下機(jī)身里。用一根軸立柱通過鍵將擺動(dòng)液壓系統(tǒng)與機(jī)身連接在一起，通過液壓缸擺動(dòng)帶動(dòng)機(jī)身的擺動(dòng)。
俯仰手臂：與下機(jī)身通過銷與相連，與手臂也通過銷相連。起連接作用，同時(shí)，俯仰手臂的伸縮會(huì)控制手臂的上下擺動(dòng)。
手臂：通過銷與上機(jī)身相連，液壓系統(tǒng)控制了它的伸縮功能，與手腕通過法蘭連接在一起。
手腕：具有擺動(dòng)功能，與手臂和手指相連。內(nèi)置擺動(dòng)液壓缸。
手指：具有夾緊工件的作用。
自由度具體分配如下：
1）手臂回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動(dòng)油缸來實(shí)現(xiàn)，擺動(dòng)缸的動(dòng)片與缸體相連接，通過油液帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，與之相連的缸體也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
2）手臂俯仰自由度。機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動(dòng)，一般采用活塞油（氣）與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，缸體采用尾部耳環(huán)與機(jī)身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
4）手腕回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動(dòng)液壓缸來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)注入壓力油時(shí)，油壓推動(dòng)動(dòng)片連同轉(zhuǎn)軸一起回轉(zhuǎn)。因?yàn)閯?dòng)片是固定在轉(zhuǎn)軸上的，故動(dòng)片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸也隨著其一起轉(zhuǎn)。而末端操作器與轉(zhuǎn)軸是固定在一起的，故轉(zhuǎn)軸一轉(zhuǎn)手部便一起轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、驅(qū)動(dòng)方案、控制方案以及選擇各個(gè)方案對機(jī)械手工作的影響，畫出機(jī)械手結(jié)構(gòu)的大體簡圖和重要的幾個(gè)結(jié)構(gòu)部分。根據(jù)工作時(shí)空間自由度的選擇，大體結(jié)構(gòu)，控制方式的選擇，完成各個(gè)部分的工作性能。描繪機(jī)械手大體結(jié)構(gòu)圖為以下計(jì)算設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
第3章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)
機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括末端操作器、手腕、手臂、機(jī)身（立柱）、機(jī)座。
這些結(jié)構(gòu)通過驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)機(jī)與電的結(jié)合。驅(qū)動(dòng)器是把從動(dòng)力源獲得的能量變換成機(jī)械能，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的驅(qū)動(dòng)形式有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動(dòng)（例如超聲波驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)等）控制系統(tǒng)：機(jī)器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同，主要可分為點(diǎn)位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。
3.2末端操作器的設(shè)計(jì)
3.2.1 末端操作器的概述
工業(yè)機(jī)器人的末端操作器是機(jī)器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具等進(jìn)行操作的部件，根據(jù)被操作工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面形態(tài)各有不同，其形式也多種多樣，大部分末端操作器的結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件專門加工的，常用的有四類：1）夾鉗式取料手2）吸附式取料手3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器4）仿生多指靈巧手。
夾鉗式取料手是工業(yè)機(jī)器人最常用的一種末端操作器形式，在流水線上應(yīng)用廣泛。它一般由手指、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接與支承元件組成，工作機(jī)理類似于常用的手鉗。
吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手應(yīng)用于大平面（單面接觸無法抓?。?、易碎（玻璃、磁盤）、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w。
因?yàn)閷Ｓ貌僮髌骷稗D(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手的技術(shù)難度及成本要求都比較高，故在此不多做介紹。
3.2.2 末端操作器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的末端操作器宜采用夾鉗式取料手。
夾鉗式取料手的手指的結(jié)構(gòu)形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。本設(shè)計(jì)是曲軸搬運(yùn)機(jī)械手，搬運(yùn)的對象是曲軸，所以要求使用V形手指，其中V形指一般用于夾持圓柱形工件，具有夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小等特點(diǎn)。它通過單向液壓缸進(jìn)行加緊工作，主要是通過液壓缸的4活塞桿推底端使手指夾緊，然后通過2彈簧進(jìn)行復(fù)位。圓柱銷3起到連接的作用，連接手指與手腕。手指上的凹凸部分起到增大摩擦的作用，使夾緊平穩(wěn)。結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：
1-手指 2-彈簧 3-圓柱銷 4-活塞桿
圖3.1 V型手指結(jié)構(gòu)圖
3.3 手腕的設(shè)計(jì)
機(jī)器人手腕（如圖3.2）是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調(diào)節(jié)或改變工件方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)器人末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。此處手腕需實(shí)現(xiàn)手部的翻轉(zhuǎn)（Roll）動(dòng)作,腕部結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在手部相對于臂部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)上。主要原理是手腕是由擺動(dòng)液壓缸控制，這樣可以實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)V形末端操作器。手腕通過法蘭連接在手臂上，手腕由擺動(dòng)液壓缸控制進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，通過進(jìn)油帶動(dòng)液壓缸，液壓缸通過鍵連接帶動(dòng)手腕軸使手腕轉(zhuǎn)動(dòng)，擺動(dòng)液壓缸由電磁閥控制。電磁閥由電器控制回路控制。這樣就將機(jī)械和電器結(jié)合到了一起。通過電控制機(jī)械，通過電控制機(jī)械手的手腕的旋轉(zhuǎn)。
機(jī)械手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通過（如圖3.2）2擺動(dòng)液壓缸帶動(dòng)，手指的夾緊運(yùn)動(dòng)通過4單向活塞桿向右推動(dòng)手指部分的V型槽。然后由復(fù)位彈簧進(jìn)行復(fù)位設(shè)置。手腕與手臂的連接由1法蘭盤連接在一起。為了確保手腕與手臂在工作過程中具有穩(wěn)定的自由度，手臂的結(jié)構(gòu)為四導(dǎo)桿輔助液壓缸運(yùn)動(dòng)。
四導(dǎo)桿能保證機(jī)械手在伸縮的過程中保持穩(wěn)定的同軸度，不至于使手臂收縮的過程中由于重力的作用而彎曲變形。每一個(gè)導(dǎo)桿平均分得一部分力，這樣可以減輕一個(gè)桿工作時(shí)的壓力。
1-法蘭盤 2-擺動(dòng)液壓缸 3-彈簧 4-單向液壓缸
5-手腕 6-連接螺栓孔
圖3.2 手腕結(jié)構(gòu)簡圖
3.4 手臂的設(shè)計(jì)
手臂是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運(yùn)動(dòng)到給定的位置上。手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。
手臂一般有伸縮運(yùn)動(dòng)、左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)三個(gè)自由度。在一般情況，手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的起動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求起動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。這樣是為了減小慣性，使運(yùn)動(dòng)精度高些。伸縮運(yùn)動(dòng)一般采用直線液壓缸驅(qū)動(dòng)，俯仰運(yùn)動(dòng)大多采用伸縮單作用（單活塞桿）驅(qū)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則大多用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實(shí)現(xiàn)。
本設(shè)計(jì)采用單作用（單活塞桿）缸來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)或產(chǎn)生變形，手臂的伸縮機(jī)構(gòu)需設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素，為了使抓取時(shí)不產(chǎn)生偏重力矩使抓取可靠，本設(shè)計(jì)中采用四根導(dǎo)向柱的臂伸縮結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是行程長，抓重大，而工件不規(guī)則時(shí)還可以防止產(chǎn)生過大的偏重力矩。
機(jī)械手手臂伸縮由手臂里的液壓缸來實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)靠機(jī)身的回轉(zhuǎn)，通過圓柱銷的連接帶動(dòng)手臂的回轉(zhuǎn)，俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí)通過俯仰缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)，手臂是機(jī)械手運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)的重要部分，它是現(xiàn)實(shí)手指與機(jī)身連接的唯一樞紐。大部分要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)都是通過手臂的傳遞完成的。本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌式液壓缸，液壓缸的尺寸決定了手臂的大體尺寸。液壓缸的設(shè)計(jì)是通過工件運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的力決定的，本次設(shè)計(jì)的手臂的內(nèi)嵌式液壓缸如圖3.3所示：
1-出油孔 2-開口銷孔 3-缸壁 4-圓柱銷孔5-導(dǎo)向桿
6-油塞 7-法蘭 8-活塞桿 9-進(jìn)油孔
圖3.3 四導(dǎo)向桿式手臂機(jī)構(gòu)
從圖中可以比較清楚地看到手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向桿的安放方式以及手臂與其他部件的連接點(diǎn)。
液壓油通過進(jìn)油孔進(jìn)入，在液體壓力的作用下活塞桿8向右運(yùn)動(dòng)，使手臂伸縮，導(dǎo)向桿5起到保證同軸度的作用，密封圈6起到保持缸內(nèi)壓力的作用，保證了液壓缸的工作效率。
手腕和手臂通過法蘭連接在一起，法蘭能保持他們的同軸運(yùn)動(dòng)，確保運(yùn)動(dòng)的精確性。法蘭的結(jié)構(gòu)簡圖如下3.4所示：
1-螺栓孔 2-螺釘
圖3.4 法蘭盤的結(jié)構(gòu)
法蘭盤與手腕通過螺栓連接，保證手臂、手腕同步運(yùn)動(dòng)。
手臂俯仰運(yùn)動(dòng)采用單作用（單活塞桿）缸來驅(qū)動(dòng)。直線油缸的缸底與機(jī)身通過鉸鏈相連，而油缸活塞桿的伸出端則與臂部鉸接，這樣當(dāng)壓力油進(jìn)個(gè)油缸時(shí)就驅(qū)動(dòng)活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過活塞桿的運(yùn)動(dòng)就使與其相連的手臂形成了俯仰的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)油從進(jìn)油口進(jìn)入時(shí)，右面的壓力比左面的大，這時(shí)活塞桿向右運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為手臂實(shí)現(xiàn)向下運(yùn)動(dòng)。由于俯仰油缸是采用底部耳環(huán)擺動(dòng)式直線缸，所以在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，缸體可在平面內(nèi)擺動(dòng)。手臂通過帶孔銷連接在機(jī)身上，以帶孔銷為支點(diǎn)，俯仰機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)就變成了手臂的上下運(yùn)動(dòng)，俯仰液壓缸向上伸出時(shí)，手臂向下擺動(dòng)，俯仰液壓缸向下伸出時(shí)，手臂向上擺動(dòng)，這樣就實(shí)現(xiàn)了手臂的上下擺動(dòng)。手臂俯仰機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如3.5所示：
1-進(jìn)、出油孔 2-活塞 3-活塞桿 4-進(jìn)、出油孔
5-密封塞 6-缸蓋 7-缸壁 8-排氣孔
圖3.5 俯仰機(jī)構(gòu)簡圖
采用擺動(dòng)馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)機(jī)身手臂的回轉(zhuǎn)。擺動(dòng)馬達(dá)布置在機(jī)身下部，手臂部件用銷軸與回轉(zhuǎn)缸體上的耳叉連接，作為手臂俯仰運(yùn)動(dòng)的支點(diǎn)。回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸和機(jī)身固定連接，擺動(dòng)缸的動(dòng)片與缸體相連，當(dāng)擺動(dòng)缸進(jìn)壓力油時(shí)，通過葉片的帶動(dòng)，缸體隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。這時(shí)就需要回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸能承受比較大的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)軸材料為Q235。
對于懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對手臂運(yùn)動(dòng)很不利。偏重力矩過大，會(huì)引起手臂的振動(dòng)，在升降時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量地近，以減少偏重力矩。為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：1）可減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸2）減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），盡可能在較小的前伸位置進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作3）在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。4）選擇液壓驅(qū)動(dòng)時(shí)選擇能調(diào)速度的換向閥。5）對于手臂或是回轉(zhuǎn)的部分有些結(jié)構(gòu)做成空心，減少回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的總重量。
3.5 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì)
機(jī)身，又稱為立柱，是支撐手臂的部件，并能輔助實(shí)現(xiàn)手臂的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰運(yùn)動(dòng)。它里面有擺動(dòng)液壓缸，通過擺動(dòng)液壓缸的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鍵，通過鍵帶動(dòng)軸，進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。軸承支撐軸的旋轉(zhuǎn)，它是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用。對固定機(jī)器人，直接連接在地面基礎(chǔ)上，對移動(dòng)式機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手上、下機(jī)身由螺栓連接，葉片帶動(dòng)回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸，從而帶動(dòng)機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
機(jī)座，起到支撐作用，它是固定機(jī)械手與地面之間的關(guān)鍵部分，用地腳螺釘連接在地面上，起到固定，支撐的作用。機(jī)構(gòu)簡圖如3.6所示：
1-彈性擋圈 2-地腳螺栓 3-立柱 4-機(jī)座
圖3.6 機(jī)座示意圖
機(jī)器人機(jī)座可分為固定式和行走式兩種，一般工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座為固定式。固定式機(jī)器人的機(jī)身直接連接在地面基礎(chǔ)上，也可以固定在機(jī)身上。
此處要求機(jī)械手的工作范圍比較小，故設(shè)計(jì)為固定式機(jī)器人，機(jī)身與機(jī)座用螺柱連接，機(jī)座用螺栓固定在地面基礎(chǔ)上。
機(jī)身設(shè)計(jì)要求：1）剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好2）運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死3）驅(qū)動(dòng)方式適宜，結(jié)構(gòu)布置合理。因?yàn)闄C(jī)身非常重要，機(jī)械手的各個(gè)部分是通過機(jī)身連接在一起的，機(jī)身決定了這些部分之間的相對精度。
機(jī)座設(shè)計(jì)要求：1) 抗壓強(qiáng)度高，不易發(fā)生形變，穩(wěn)定性好2）機(jī)座與地相連部分的端面需精加工，保障其端面粗糙度。
通過對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，了解到機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)由手指、手腕、伸縮手臂、俯仰手臂、機(jī)身、機(jī)座等幾大部分組成。通過對他們的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的大體形狀已經(jīng)初步形成。思路比較清晰。后續(xù)的圖都根據(jù)機(jī)械手各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行畫。
3.6 本章小結(jié)
本章具體介紹機(jī)械手各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及各個(gè)部分的結(jié)構(gòu)示意簡圖，手指張緊、手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)等部分之間的相互聯(lián)系，他們之間組成機(jī)械手各個(gè)部件的相互作用以及工作原理。手臂伸縮和手臂俯仰機(jī)構(gòu)內(nèi)部的液壓部分的工作原理，機(jī)身，機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將這些總裝到一起就構(gòu)成了一個(gè)機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第4章 機(jī)械手各部件載荷及結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算
4.1 設(shè)計(jì)要求分析
本課題設(shè)計(jì)的曲軸搬運(yùn)機(jī)械手采用關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系、全液壓驅(qū)動(dòng)，具有手臂伸縮、俯仰、回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)四個(gè)自由度，以及手指的抓取動(dòng)作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)由手部抓取機(jī)構(gòu)、手腕回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手臂伸縮機(jī)構(gòu)、手臂俯仰機(jī)構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和各定位裝置等組成，每一部分均由液壓缸驅(qū)動(dòng)與控制。
它完成的動(dòng)作循環(huán)為：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)→手腕回轉(zhuǎn)→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。
4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的及尺寸設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中采用四指V形結(jié)構(gòu)，指面光滑，避免工件被夾持部位的表面受損。手指的驅(qū)動(dòng)采用彈簧復(fù)位（單活塞桿）單作用液壓缸，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用斜楔杠桿式復(fù)合回轉(zhuǎn)傳動(dòng)，并在杠桿上裝有張緊彈簧，以保證手指夾緊驅(qū)動(dòng)液壓缸的復(fù)位。手指厚度根據(jù)需要夾持的工件設(shè)定，V形指合攏后的的尺寸為工件被夾持部位直徑的外接正六邊形，保證了機(jī)械手工作時(shí)的可靠性。
4.2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算
手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊載荷FN計(jì)算：
FNG （4.1）
式中： ——安全系數(shù)，通常取1.2～2.0；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？晒浪悖?
K2 = （4.2）
其中：——重力加速度；
——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度，可計(jì)算：
（4.3） ——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度，0.07。
——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般取0.3～0.5。
——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選 定。 0.9～1.1。
——被抓取工件所受重力（N）。
計(jì)算可得：
N
手指夾緊由單作用液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，則手指夾緊缸的載荷為：
600N
分析液壓缸
活塞桿受壓時(shí)：
圖4.1 活塞桿受壓示意圖
（4.4）
活塞桿受拉時(shí)：
圖4.2 活塞桿受拉示意圖
式中： ——無桿活塞桿有效作用面積（）；
——有桿活塞桿有效作用面積（mm2）；
P1——液壓缸工作腔壓力0.8MPa；
P2——背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時(shí)可參照下表4.1，此處選取背壓0。
D——油缸內(nèi)徑（）；
d——活塞桿直徑（）。
表4.1 執(zhí)行元件背壓力
系統(tǒng)類型
背壓力/MPa
簡單系統(tǒng)或節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2～0.5
回油路帶調(diào)速閥系統(tǒng)
0.4～0.6
回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)
0.5～1.5
用補(bǔ)油泵的閉式回路
0.8～1.5
回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械
1.2～3
回油路較短，且直接回油箱
可忽略不計(jì)
對單活塞桿缸，無桿腔進(jìn)液體或氣體時(shí)，不考慮機(jī)械效率。
手指夾緊采用的單作用活塞缸，由上面已知其載荷力大小。
(1)液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑的確定
根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況，總機(jī)械載荷
F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb （4.5）
式中: Fw——按題目給定為600N；
Fm——活塞上所受慣性力；
Fsf——密封阻力；
Ff-——導(dǎo)軌摩擦阻力；
Fb——回油背壓形成的阻力；
? Fm 計(jì)算：
Fm = （4.6）
式中： G——液壓缸所要移動(dòng)的總重量，題目給定為3000N;(60kg+120kg+60kg)考慮到一些外在原因設(shè)計(jì)中總重量比工作中所需總重量多一些。所以選3000N
g——重力加速度，9.8m/s2
——速度變化量，由題知， =0.07m/s；
t——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為0.01s~0.5s，因移動(dòng)不重的重物，取t=0.01s
將上式各值代入上式：
Fm==×=306.1N （4.7）
?Fsf-的計(jì)算：
Fsf-=pf A1 （4.8）
式中：f ——克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（Pa），如該液壓缸選O形密封圈，設(shè)液壓缸工作壓力p<16MPa，由相關(guān)設(shè)計(jì)手冊查得pf <0.3MPa，取pf =0.2MPa；
A1 ——進(jìn)油工作有效面積（m2），此時(shí)屬未定數(shù)值，初估計(jì)為70cm2 。
Fsf =0.2×106×0.007=1400N
? Ff 的計(jì)算：
該手臂材料選用鑄鐵，結(jié)構(gòu)受力。摩擦力為：
Ff = （4.9）
式中: G——移動(dòng)總重量，3000N;
FZ ——切削力在導(dǎo)軌垂直方向的分力，F(xiàn)Z =N=2000N;
f ——摩擦因數(shù)，取f=0.1；
——V形導(dǎo)軌夾角，=90°
各值代入上式：
Ff =
=600N
Fb =pb A2 （4.10）
式中： pb——回油背壓，一般為0.3MPa~0.5MPa，取pb =0.3MPa；
A2——有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動(dòng)比為2，已初估計(jì)A1 =70cm2 故A2 =40cm2 。
各值代入上式：
Fb =pb A2 =0.3×106×0.004=1200N
分析液壓缸各工作階段受力情況，得知在工進(jìn)階段受力最大，作用在活塞上的總機(jī)械載荷為：
F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb =600+1400+600+1200=4800N
(2) 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作壓力：
P1 =0.8MPa
液壓缸工作腔有效面積：
A1 ===0.006(m2)=60cm2
D==87(cm)=87mm
活塞直徑：
D87mm 圓整為100mm
活塞桿直徑： d圓整為70mm（速率比為2）
液壓缸的缸筒長度由活塞桿最大行程、活塞長度、活塞桿導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度和特殊要求的其它長度確定。一般活塞桿寬度（1.6～1.0）；在>80時(shí)，導(dǎo)向套滑動(dòng)面長度（0.6～1.0）。為了減少加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20～30倍。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取夾緊液壓缸缸筒長度160。
缸筒是液壓缸中最重要的零件,它承受液體作用的壓力,其臂厚需進(jìn)行計(jì)算?；钊麠U受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，為避免發(fā)生縱向彎曲，還要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。
中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數(shù)屬薄壁微，即≥10時(shí)，其最薄處的壁厚用材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算壁厚，即：
（4.11）
式中：——缸筒內(nèi)最高工作壓力；
——缸筒材料的許用應(yīng)力，由下式可計(jì)算：
= （4.12）
式中： ——材料的抗拉強(qiáng)度，查機(jī)械手冊得610MPa；
——安全系數(shù)，當(dāng)≥10時(shí)一般取=5；當(dāng)<10時(shí)，稱為厚壁筒，高壓缸的缸筒大都屬于此類。
計(jì)算可得夾緊液壓缸壁厚20。
4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)的及尺寸的確定
? Fm 計(jì)算：
Fm = （4.13）
式中: G——液壓缸所要移動(dòng)的總重量，題目給定為6000N;
g——重力加速度，9.8m/s2
——速度變化量，由題知， =0.07m/s；
t——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間，一般為0.01s~0.5s，因移動(dòng)不重的重物，取t=0.1s
將上式各值代入上式：
Fm==×=420N
?Fsf-的計(jì)算：
Fsf-=pf A1 （4.14）
式中: f ——克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（Pa），如該液壓缸選O形密封圈，設(shè)液壓缸工作壓力p<16MPa，由相關(guān)設(shè)計(jì)手冊查得pf <0.3MPa，取pf =0.2MPa；
A1——進(jìn)油工作有效面積（m2），此時(shí)屬未定數(shù)值，初估計(jì)為120cm2 。
Fsf =0.2×106×0.012=2400N
? Ff 的計(jì)算:
該手臂材料選用鑄鐵，結(jié)構(gòu)受力。摩擦力為：
Ff = （4.15）
式中: G——移動(dòng)總重量，6000N;
FZ ——切削力在導(dǎo)軌垂直方向的分力，F(xiàn)Z =N=20000N;
f ——摩擦因數(shù)，取f=0.1；
——V形導(dǎo)軌夾角，=90°
各值代入上式：
Ff =
=2600N
Fb =pb A2
式中： pb——回油背壓，一般為0.3MPa~0.5MPa，取pb =0.3MPa；
A2——有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動(dòng)比為2，已初估計(jì)A1 =120cm2 故A2 =70cm2 。
各值代入上式：
Fb =pb A2 =0.3×0.004=2100N
分析液壓缸各工作階段受力情況，得知在工進(jìn)階段受力最大，作用在活塞上的總機(jī)械載荷為：
F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb+F手腕=6000+420+2400+2600+2100+4800=18320N
(3) 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作壓力
表4.2 載荷與工作壓力的關(guān)系
載荷/KN
<5
5～10
10～20
20～30
30～50
>50
工作壓力/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果取P2 =2MPa
液壓缸工作腔有效面積
A1 ===0.00916(m2)=91.6cm2
D==11.6(cm)=116mm
活塞直徑：
D116mm 查表圓整為160mm d圓整為110mm
手臂伸縮機(jī)構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由上面已知公式算出。同理，經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑160，活塞桿直徑101.5。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為160，活塞桿直徑100。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取手臂伸縮液壓缸缸筒長度2000，壁厚36。
4.4手臂俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定
手臂俯仰機(jī)構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由上面公式算出液壓缸內(nèi)徑D及活塞桿d。同理，經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑101，活塞桿直徑70.7。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為100，活塞桿直徑70。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取手臂俯仰液壓缸缸筒長度630，壁厚28。
4.5手腕擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
手腕擺動(dòng)選用的葉片式擺動(dòng)液壓缸，由上面已知其載荷力矩的大小。
擺動(dòng)液壓缸的排量為：
（4.16）
式中： T——液壓馬達(dá)的載荷轉(zhuǎn)矩（N）；
——液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓（Pa）,已知為0.8MPa。
計(jì)算可得：
/r
根據(jù)實(shí)際工況取設(shè)計(jì)中選取YMD30葉片擺動(dòng)液壓缸。
4.6 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的確定
機(jī)身擺動(dòng)選用的葉片式擺動(dòng)液壓缸，由上面已知其載荷力矩的大小。
擺動(dòng)液壓缸的排量為
/r
根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)中選取YMD300的葉片擺動(dòng)液壓缸。
4.7強(qiáng)度校核
活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向的推力和拉力，可以近似地用直桿承受拉壓負(fù)載的簡單強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：
（4.17）
式中： ——活塞桿的作用力，單位N；
——活塞桿直徑，單位m；
——材料的許用應(yīng)力，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊為600MPa。
下面各液壓缸的活塞桿校核如下:
MPa
MPa
MPa
故<<，所以滿足強(qiáng)度要求。
4.8 彎曲穩(wěn)定性校核
活塞桿受軸向壓力作用時(shí)，有可能產(chǎn)生彎曲，當(dāng)此軸向力達(dá)到臨界值Fk時(shí)，
會(huì)出現(xiàn)壓桿不穩(wěn)定現(xiàn)象學(xué)，臨界值的大小與活塞桿長和直徑，以及缸的安裝方式等有關(guān)。只有當(dāng)活塞桿的計(jì)算長度≥10時(shí)，才進(jìn)行活塞桿的縱向穩(wěn)定性計(jì)算。所以只需校核手臂伸縮液壓缸，其計(jì)算按材料力學(xué)的有關(guān)公式進(jìn)行。
使缸保持穩(wěn)定性的條件為：
（4.18）
N
MPa （4.19）
m4 （4.20）
式中： F——缸承受的軸向壓力（N）；
nk——安全系數(shù)，一般取3.5～6；
K——液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，見機(jī)械設(shè)計(jì)手表20-6-17。
FK——活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界壓力（N），可由下式計(jì)算：
L——液壓缸支承長度（m）；
I——活塞桿橫截面慣性矩（m4），可由下式計(jì)算：
E——實(shí)際彈性模數(shù)，可由下式計(jì)算：
E——材料的彈性模數(shù)（MPa），鋼材；
a——材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般取a；
b——活塞桿截面不均勻系數(shù)，一般取b；
d——活塞桿直徑（m）。
計(jì)算可得：
4.9×
所以彎曲強(qiáng)度滿足要求。
4.9 本章小結(jié)
本章主要介紹機(jī)械手手指夾緊內(nèi)部液壓缸的計(jì)算設(shè)計(jì)，手臂伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算、手臂俯仰缸的設(shè)計(jì)計(jì)算。手指擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的的設(shè)計(jì)、手臂擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、以及各項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算的校核。根據(jù)計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)繪制機(jī)械手各部分的圖，本章對機(jī)械手圖形設(shè)計(jì)很重要，很多圖形都是根據(jù)本章設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)制作的。
第5章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5.1 液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量的確定
5.1.1 液壓缸工作時(shí)所需流量
（5.1）
式中： ——液壓缸有效作用面積（m2）；
——活塞與缸體的相對速度（）。
1.無桿活塞桿有效作用面積：
（5.2）
式中: ——油缸內(nèi)徑（）。
2.有桿活塞桿有效作用面積：
（5.3）
式中: ——活塞桿直徑（）。經(jīng)過計(jì)算可得各活塞的有效面積如下表5.1所示：
表5.1 各活塞的有效面積
有效面積
液壓缸
(mm2)
(mm2)
手臂俯仰油缸
7850
4003.5
手臂伸縮油缸
20096
12246
手指夾緊油缸
7850
4003.5
經(jīng)過計(jì)算可得各液壓缸流量下表5.2所示：
5.2 液壓馬達(dá)工作時(shí)的流量
查表得YMD30擺角90°，流量（內(nèi)泄漏量）為300；YMD300擺角270°，流量（內(nèi)泄漏量）為470。
知道流量后，根據(jù)流量選擇泵提供多大的工作壓力，選擇額定的工作壓力后，系統(tǒng)才能正常工作。實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各個(gè)部分的工作，5個(gè)部分的流量都計(jì)算出來，然后通過液壓閥進(jìn)行控制，滿足每個(gè)缸所需要的流量。這樣保證系統(tǒng)的正常工作。
手腕能回轉(zhuǎn)90°，機(jī)身通過液壓缸的控制能回轉(zhuǎn)270°，這樣都能滿足機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求。
表5.2 各液壓缸流量
工 況
執(zhí)行元件
運(yùn)動(dòng)速度m/s
結(jié)構(gòu)參數(shù)(m2)
流量
(L/s)
計(jì)算公式
手指夾緊
夾緊缸
0.035
=0.0079
0.28
手指松開
0.070
=0.0040
手臂前伸
伸縮缸
0.042
=0.0201
0.85
手臂縮回
0.070
=0.0122
手臂上升
俯仰缸
0.035
=0.0079
0.28
手臂下降
0.07
=0.0040
5.3 液壓缸或液壓馬達(dá)主要零件的結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)要求
5.3.1 缸體
液壓缸缸體的常用材料有20、35、45號無縫鋼管。因20號鋼的力學(xué)性能略低，且不能調(diào)質(zhì)，應(yīng)用較少。當(dāng)缸筒與缸底、缸頭、管接頭或耳軸等件需焊接時(shí)，則應(yīng)采用焊接性能比較好的35鋼，初加工后調(diào)質(zhì)。一般情況下，均采用45鋼，并調(diào)質(zhì)到241～285HB。缸體毛坯也可采用鍛鋼、鑄鋼或鑄鐵件。鑄鐵可采用ZG35B等材料，鑄鐵可采用HT200～HT350間幾個(gè)牌號或球墨鑄鐵。特殊情況下，可采用鋁合金等材料。
設(shè)計(jì)中缸體材料選用45號鋼，并應(yīng)調(diào)質(zhì)到241～285HB。缸體內(nèi)徑采用H8配合。活塞采用橡膠密封圈密封，該密封結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，密封可