機械手設計說明書雙面.doc

物理科學與工程技術學院畢業(yè)設計前言由于工業(yè)自動化的全面發(fā)展和科學技術的不斷提高，對工作效率的提高迫在眉睫。單純的手工勞作以滿足不了工業(yè)自動化的要求，因此，必須利用先進設備生產自動化機械以取代人的勞動，滿足工業(yè)自動化的需求。其中機械手是其發(fā)展過程中的重要產物之一，它不僅提高了勞動生產的效率，還能代替人類完成高強度、危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，可以說是一舉兩得。在機械行業(yè)中，機械手越來越廣泛的得到應用，它可用于零部件的組裝，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數控機床、組合機床上使用更為普遍。目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。但目前我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國機械行業(yè)自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。因此，進行機械手的研究設計具有重要意義。本次畢業(yè)設計課題為軸類零件球坐標機械手。隨著生產率水平的提高，人們對產品精度和質量要求越來越來嚴格，企業(yè)生產線的自動化程度要求越來越高，工業(yè)機械手已成為多數企業(yè)生產線上必不可少的設備。此次設計的機械手各組成部分有：手爪、手腕、手臂、機身、機座等。并對其進行了嚴謹、詳細的設計、計算、校核和繪圖。由于自身缺乏實踐經驗，而且本次設計內容較多，任務繁重，而且這方面的資料少，加重了設計的難度。所以在設計中難免會出現這樣那樣的錯誤，還請各位老師斧正?？傊?，我希望通過本次畢業(yè)設計對自己未來將從事的工作進行一次適應性的訓練，從中鍛煉自己分析問題、解決問題的能力，為將來的工作打下一個良好的基礎。 一 對機械手的分析1.1 機械手的分類機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據任務的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手是屬于第三類機械手。1.2 發(fā)展趨勢目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊S著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。1.3 機械手的組成球坐標機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構、和控制系統(tǒng)三大部分組成（1） 執(zhí)行機構 機械手的執(zhí)行機構可以分為手部、手臂、和軀干等三部分。手部一般安裝在手臂的前端其構造是模仿人的手指。手臂可以分為無關節(jié)臂和有關節(jié)臂，其主要作用是引導手指準確地扎住工件，并運送到所需要的位置上。軀干是安裝手臂，動力源和執(zhí)行機構。（2） 驅動機構 機械手的驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓、氣動用的最多，電動和機械用的比較少。（3） 控制系統(tǒng) 機械手控制的要素包括工作順序，到達位置、動作時間、運動時間、運動速度和加減速度等。機械手的控制可以分為點位控制、連續(xù)軌跡控制、力控制和智能控制方式等（4）球坐標機械手結構特點球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現的，如圖。其工作空間是一個類球形的空間。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不很高，主要應用于搬運作業(yè)。1.4 應用機械手的意義一、以提高生產過程中的自動化程度應用機械手有利于實現材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。 二、以改善勞動條件，避免人身事故 在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。 三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。1.5 課題工作要求機械加工工業(yè)機械手是現代制造中的重要裝備，特別是在現代自動化生產線制造中一種不缺少的裝備，因此按照制造現場的實際運行狀況，設計一種靈巧、機構緊湊、滿足要求的工作范圍，適用銑削加工軸類的機械手，技術要求： 收集各種相關的資料，選擇合適的方案。 能夠正確地工作。 技術上要先進，結構上要合理，要有安全上的保證。 手的夾持部位要有可調性，每個動作要有緩沖，液壓閥的連接方式采用集成塊。 控制部分要能進行靈活調節(jié)，手動、單步、單周期、連續(xù)和回原位五種工作方式。 編寫說明書。工作要求：基本動作 伸出夾緊運行松開復位等夾緊工件，運行可靠控制：PLC二 機械手的結構設計2.1 系統(tǒng)的組成 機械手由執(zhí)行機構、驅動-傳動機構、控制系統(tǒng)等組成，驅動、傳動機構與執(zhí)行機構是相輔相成的，在驅動系統(tǒng)中可以分：機械式、電氣式、液壓式和復合式。2.2 總體方案根據課題要求，機械手需要具備上料、翻轉和轉位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產節(jié)拍和生產綱領完成以上動作，因此可采用以下多種設計方案。（1）直角坐標系式，自動線成直線布置，機械手空中行走，順序完成上料、翻轉、轉位等功能。這種方案結構簡單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，這使設計復雜程度增加，運動質量增大。（2）機身采用立柱式，機械手側面行走，順序完成上料、翻轉、轉位等功能，自動線仍呈直線布置。這種方案可以集中設計液壓站，易于實現電氣、油路定點連接，但占地面積大，手臂懸伸量較大。（3）機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉、轉位等功能。這種案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工件等優(yōu)點，但配線要求較高。本設計擬采用第三種方案，如圖（1）所示。這是一種球坐標式機械手，具有立柱旋轉z、手臂伸縮x、手臂俯仰y三個自由度。2.3 主要參數 自由度 3 操作方式 自動 夾持的工件 50400（軸） 工作范圍 滿足工作要求 傳動裝置 液壓坐標形式 球坐標位置控制 點位電氣控制 控制 工作速度 0.2m/s 位置精度 0.5mm 三 抓取機構的設計3.1 抓取機構結構形式的確定機械手手爪的典型結構有以下五種：1.楔塊杠桿式手爪利用楔塊與杠桿來實現手爪的松、開，來實現抓取工件。2.滑槽式手爪當活塞向前運動時，滑槽通過銷子推動手爪合并，產生夾緊動作和夾緊力，當活塞向后運動時，手爪松開。這種手爪開合行程較大，適應抓取大小不同的物體。3.連桿杠桿式手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產生夾緊（放松）運動，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產生較大的夾緊力。通常與彈簧聯合使用。4.齒輪齒條式手爪通過活塞推動齒條，齒條帶動齒輪旋轉，產生手爪的夾緊與松開動作。5.平行杠桿式手爪采用平行四邊形機構，因此不需要導軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運動，且比帶有導軌的平行移動手爪的摩擦力要小得多。設計時應該保證：(一)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，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。(二)手指間應具有一定的開閉角兩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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。(三)保證工件準確定位為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶“V”形面的手指，以便自動定心。(四)具有足夠的強度和剛度手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。(五)考慮被抓取對象的要求根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，本設計采用齒輪齒條的手爪。驅動活塞往復移動，通過活塞桿端部齒條，中間齒輪及扇形齒條使手指張開或閉合。手指的最小開度由加工工件的直徑來調定。手抓的具體結結構形式如下 3.2 夾緊力的確定當用不同的手部機構夾緊同一種工件時，由于各手部機構的增力倍數不同，所需拉緊油缸的驅動力也不同。當手部機構選定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置），鉗爪的受力狀態(tài)不一樣，因而所需拉緊油缸的驅動力也不一樣。下圖（2）為兩鉗爪式手部機構，由于驅動力P使一對鉗口對被夾持的工件產生兩個作用力N，當忽略工件重量時（即相當于夾緊一塊握力表），這兩個力大小相等，力N稱為由驅動力P產生的夾緊力。現引入一個稱為“當量夾緊力”的概念，所謂當量夾緊力，就是指把重量為G的工件，按某一方位夾緊可以求得其拉緊油缸具有的最小驅動力，這個最小驅動力所能產生的夾緊力，就稱為工件在這個方位的當量夾緊力。當量夾緊力的數值與具體的手部機構方案無關。只與工件的重量G和它相對與鉗爪的放置方位有關。證明如下：（1）首先求驅動力P與夾緊力N的關系。當驅動力推動活塞桿移動一小段距離dy時，兩個鉗爪都相應產生一微小轉角d，依據虛功原理，驅動力P所做功（Pdy）和夾緊力N所做功應相等，即 N= （3-1）（2）當量夾緊力與工件重量之關系。當鉗爪水平夾緊重為G的工件時，根據工件的平衡條件F=0可得R1=R2+G可以看出，上下鉗爪對工件的夾緊力并不相等，且隨驅動力的增大而增大，但R1和R2的差值永遠為工件之重量G，如R2=0，R1=G，驅動力最小。這個最小驅動力可以由下述方法求出：將R1=G，R2=0代入上式得 （3-2）由所產生的夾緊力，即當量夾緊力。將（2-10）式代入（2-9）式得 （3-3）從計算結果可以看出，當量夾緊力與具體的手部結構方案無關。不同的手部機構的增力倍數特性不一樣，而當量夾緊力與無關，只與工件的重量和它相對于鉗爪的放置方位有關。手指對工件的夾緊力可按公式計算：N=k3 G式中， N夾持工件時所需的握力；K3工位系數 G被抓取工件所受重力（N）。工件在傳送過程中還會產生慣性力、振動以及受到傳力機構效率等的影響，故而實際握力應按以下計算：N實 式中， 手部的機械效率，一般=0.850.95；k1安全系數，一般取k1=1.22；k2工作情況系數，主要考慮慣性力的影響，可近似按下式估其中a，重力方向的最大上升加速度； 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取0.030.5s 運載時工件最大上升速度計算：設a=100mm,G=558N，機械手達到最高響應時間為0.5s，求夾緊力設 =1.02 根據公式，將已知條件帶入：k3取0.5 =1.5x1.02x588x0.5=449.8N3.3夾緊缸驅動力的計算1.根據驅動力公式得： =1378N （3）取 （4）確定液壓缸的直徑D 選取活塞桿直徑d=0.5D,選擇液壓缸壓力油工作壓力P=0.81MPa，取P=0.8MPa m根據表4.1（JB826-66），選取液壓缸內徑為：D=63mm則活塞桿外徑為:D=630.5=31.5mm，選取d=32mm2.抓取機構的定位誤差分析 圖（7）所示的為一支點回轉型手指的示意圖。圖示情況為分別夾持兩種不同直徑的工件時的情況。其中，為手指長度，即手指的回轉中心A到V形槽頂點B之間的距離；為V形槽的夾角；為偏轉角，即V形槽的角平分線BC與手指AB間的夾角；R為工件的半徑。圖（7）工件的中心C與手指的回轉中心A之間的距離x可由下式求得：將上式整理后得或此式為雙曲線方程，其曲線如圖所示。圖中曲線表示了X隨R變化的關系，而且X的變化是以R0為分界線左右對稱的。當工件的半徑由Rmax變化到Rmin時，X的最大變化量即為定位誤差，其值為在設計手指時，只要給定手指的長度，選取合適的偏轉角，即可根據工件的最大直徑Rmax和最小直徑Rmin確定定位誤差。為了減少定位誤差，可加大手指的長度，會使結構增大，重量增加。另外，選擇最佳的偏轉角，也可使定位誤差最小。當R等于平均半徑Rm時，定位誤差最小，此時式中，最佳偏轉角。3.液壓缸壁厚的計算對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算：式中，液壓缸缸筒厚度（mm）；試驗壓力（MPa），工作壓力p16MPa時，=1.5p；工作壓力p16MPa時，=1.25p，由于本次設計的液壓系統(tǒng)壓力為2.5MPa，故=1.52.5=3.75Mpa；D液壓缸內徑（mm）；缸材料體的許用應力（MPa）：缸體材料的抗拉強度（MPa）；n安全系數，n=3.55，一般取n=5。對于：鍛鋼 =100120 MPa鑄鋼 =100110 MPa鋼管 =100110 MPa鑄鐵 =60 MPa現選用鑄鐵材料，=60Mpa。將以知數據代入上式得因結構設計需要，取=10mm。4.液壓缸外徑D0及長度l的計算L（23）D0，由結構需要確定，取l=60mm。5.液壓缸行程S的確定根據課題要求以及機構的運動要求查【5】按GB/T2349-1980標準系列確定液壓缸活塞行程為450mm。四 機械手手腕的設計 機械手手腕是機械手操作機的最末端，與手爪相連接，它與機械手手臂配合，使手爪在空間運動，完成所需要的作業(yè)動作。4.1手腕結構的設計要求、由于手腕安裝在機械手末端，因此要求手腕設計應盡量小巧輕盈，結構緊湊。、根據作業(yè)需要，設計機械手手腕的自由度。一般情況下，自由度數目愈多，腕部的靈活性愈高，對對作業(yè)的適應能力也愈強。但自由度的增加，必然使腕部結構更復雜，控制更困難，成本也會相應增加。因此，手腕的自由度數，應根據實際作業(yè)要求來確定。、為實現腕部的通用性，要求有標準的連接法蘭，以便于和不同的機械手手爪進行連接。、為保證工作時力的傳遞和運動的連貫，腕部結構要有足夠的強度和剛度。、要設有可靠的傳動間隙調整機構，以減小空回間隙，提高傳動精度。、手腕各關節(jié)軸轉動要有限位開關，并設置硬限位，以防止超限造成機械損壞。4.2具體設計方案在滿足系統(tǒng)工藝要求的前提下提高安全和可靠性，為使機械手的結構盡量簡單，降低控制的難度，本設計手腕不增加自由度，實踐證明這是完全能滿足作業(yè)要求的，3個自由度來實現完全足夠。具體的手腕（活塞桿端部齒條，中間齒輪及扇形齒條）結構見圖2-4。五 機械手的手臂和機身的設計5.1 手臂和機身的方案手臂部件（簡稱臂部或手臂）是機械手的主要執(zhí)行部分，其作用是支承手腕及抓取機構（包括被抓取的工件或工具），有時其他一些裝置如傳動機構或驅動裝置也安裝在手臂上。機身則直接支承和帶動手臂部件，并實現手臂的回轉、升降、俯仰等運動。因此，手臂的送放運動越多，機身的結構和受力狀況也越復雜。設計手臂和機身時應注意以下幾個問題：1）剛度剛體是指手臂和機身在外力作用下抵抗變形的能力。由于機械手的手臂一般都要懸伸（水平或垂直懸伸），因而手臂和機身的剛度十分重要。手臂的懸伸量越大，剛度越差，而且剛度歲懸伸距離的變化而不斷變化，因而懸伸量對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力都有很大的影響。為了提高手臂的剛度，除了盡量縮短手臂的懸伸量外，還應合理地選擇使手臂抗彎扭能力強的手臂截面形狀，并合理地確定手臂的壁厚和材質，以及合理地布置受力構件的位置和方向。2）精度機械手的精度最終反映在手部的位置精度上，在很大程度上取決與手臂和機身的精度。影響手臂和機身的精度的因素較多，主要有本身的剛度、手部和腕部與手臂的連接剛度，以及手臂和機身運動的導向裝置和定位裝置的精度等。3）平穩(wěn)性手臂和機身的質量較大，其運動速度和負荷也較大，因而產生的沖擊和振動也較大。因此，它們的工作平穩(wěn)性十分重要，將直接影響到機械手的工作質量和壽命，在設計時應予以足夠的重視。在設計時除了力求結構合理、緊湊、重量輕、慣性小以外，還應采取有效的緩沖措施，以便吸收沖擊能量，提高機械手的工作平穩(wěn)性。4）其他要求對于一些在特殊條件下工作的機械手，設計時應滿足其他特殊的要求。例如：在高溫環(huán)境工作時，應考慮熱輻射的影響；在腐蝕性介質環(huán)境下工作時，應考慮防腐蝕措施；在多用途作業(yè)環(huán)境下工作時，應考慮控制、檢測、維修方便等等。臂和機身的配置臂和機身的配置形式反映了機械手的總體布置形式，主要取決與機械手的工作要求、運動形式和作業(yè)環(huán)境，大致上可歸納為以下幾種：1）立柱式這種配置形式適合于回轉型、俯仰型或屈伸型機械手，因而是一種最常見的配置形式。這種配置形式的手臂可以在水平面內回轉，具有占地面積小、工作范圍大的特點。立柱可以安裝在生產線上，為一臺機車服務，也可以在其上加裝行走裝置，為多臺機床服務。立柱式配置形式的機械手可以做成單臂的，也可以作成雙臂的。后者通過兩臂同時升降、交臂伸縮，實現一手上料，一手下料，使結構簡單緊湊。2）機座式機座式配置形式的機身設計成機座的形式，獨立自成系統(tǒng)，便于安裝和搬動。也可在機座上增設行走裝置，使機座能在地面專用軌道上移動。這種配置形式的手臂裝在機座的頂端，適合于回轉型或俯仰型機械手。這種配置形式的機械手也可以做成雙臂的或多臂的，以便同時為幾臺機床服務。3）屈伸式屈伸式配置形式的小臂相對于大臂可以作屈伸運動，大臂又可相對于機身作回轉和俯仰運動。因此，手臂夾持中心的運動軌跡為一空間曲線。這種配置形式能有效地利用空間，并能繞過障礙物夾持和送放工件，但使機械手的結構較復雜。4）懸掛式懸掛式配置形式的機身設有橫梁，用于懸掛手臂，這種配置形式主要用于直角坐標式機械手。橫梁可設計成固定的，也可以設計成移動的。一般情況下，橫梁可安放在廠房原有的建筑物上。本機械手機身采用機座式，手臂運動的導向裝置為雙導向桿式，兩導向桿對稱配置在驅動油缸的兩側。5.2 手臂驅動力的計算計算臂部運動驅動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進去。機械手工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。手臂水平伸縮運動時的驅動力計算下圖（13）所示的為手臂作水平伸縮運動時的受力分析。圖（13）當壓力油輸入工作腔時，活塞驅動手臂前伸。其驅動力應克服手臂在前伸啟動時所產生的慣性力、手臂運動部件與密封裝置的摩擦阻力，以及回油腔的壓力（即負壓）。因此，驅動力為式中， 手臂啟動過程中的慣性力；摩擦阻力（包括導向裝置和活塞與缸體之間的摩擦阻力）；密封裝置處的摩擦阻力，用不同形式的密封裝置，其摩擦阻力不同；油缸非工作腔的壓力（即背壓）所造成的阻力，若非工作腔與油箱或大氣相通，則=0。手臂摩擦力的分析與計算分析：摩擦力的計算 不同的配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據具體情況進行估算。上圖是機械手的手臂示意圖，本設計是雙導向桿，導向桿對稱配置在伸縮崗兩側。圖 5.1 機械手臂部受力示意計算如下：由于導向桿對稱配置，兩導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。得 得 (5.2)式中 參與運動的零部件所受的總重力（含工件）（N）； L手臂與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐的前端的距離（m）,參考上一節(jié)的計算; a導向支撐的長度（m）; 當量摩擦系數，其值與導向支撐的截面有關。對于圓柱面：摩擦系數，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取鋼對鑄鐵：取計算：導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵 ，L=1.69-0.028=1.41m,導向支撐a設計為0.016m將有關數據代入進行計算手臂慣性力的計算本設計要求手臂平動是V=,在計算慣性力的時候,設置啟動時間，啟動速度V=V=, (5.3)密封裝置的摩擦阻力不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用O型密封，當液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。經過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅動力：5.3 液壓缸工作壓力和結構的確定經過上面的計算，確定了液壓缸的驅動力F=6210N，根據表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=2MPa（1） 確定液壓缸的結構尺寸：液壓缸內徑的計算，如圖5.2所示圖5.2 雙作用液壓缸示意圖當油進入無桿腔，當油進入有桿腔中， 液壓缸的有效面積：故有： （無桿腔） (5.4) （有桿腔） (5.5)F=6210N，=，選擇機械效率將有關數據代入： 根據表4-1（JB826-66），選擇標準液壓缸內徑系列，選擇D=65mm.（2） 液壓缸外徑的設計根據裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在7mm，所以該液壓缸的外徑為79mm.（3） 活塞桿的計算校核活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度要求。對于桿長L大于直徑d的15倍以上，按拉、壓強度計算： (5.6)設計中活塞桿取材料為碳剛，故，活塞直徑d=20mm,L=1360mm,現在進行校核。結論： 活塞桿的強度足夠。5.4手臂作回轉運動時的驅動力矩計算手臂回轉缸的回轉驅動力矩，應該與手臂運動時所產生的慣性，力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡： (6.1)慣性力矩的計算： (6.2)式中 回轉缸動片角速度變化量（），在起動過程中=；t起動過程的時間(s);手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量（）。若手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為，則 (6.3)式中 回轉零件的重心的轉動慣量。 (6.4)回轉部件可以等效為一個長1800mm，直徑為60mm的圓柱體，質量為159.2Kg.設置起動角度=180，則起動角速度=0.314，起動時間設計為0.1s。4694.3密封處的摩擦阻力矩可以粗略估算下=0.03，由于回油背差一般非常的小，故在這里忽略不計。經過以上的計算=4839.5（1） 回轉缸尺寸的初步確定 設計回轉缸的靜片和動片寬b=60mm，選擇液壓缸的工作壓強為8Mpa。d為輸出軸與動片連接處的直徑，設d=50mm,則回轉缸的內徑通過下列計算： (6.5)D=151mm既設計液壓缸的內徑為150mm,根據表4.2選擇液壓缸的基本外徑尺寸180mm(不是最終尺寸)，再經過配合等條件的考慮。（2） 液壓缸蓋螺釘的計算根據表4.3所示，因為回轉缸的工作壓力為8Mpa,所以螺釘間距t小于80mm,根據初步估算：，,所以缸蓋螺釘的數目為（一個面6個，兩個面是12個）。危險截面所以， 所以螺釘材料選擇Q235，則（）螺釘的直徑螺釘的直徑選擇d=20mm.選擇M20的開槽盤頭螺釘。經過以上的計算，需要螺釘來連接，最終確定的液壓缸的截面尺寸如圖5.2所示，內徑為150mm，外徑為230mm，輸出軸徑為50mm圖6.2 回轉缸的截面圖5.5手臂作俯仰運動時的驅動力矩計算下圖（14）所示為手臂作俯仰運動時的受力分析圖。圖（14）由圖可知，當手臂與水平線成仰角1和俯角2時，鉸接活塞缸的驅動力P的作用線與垂直線的夾角a在a1與a2的范圍內變化。而作用在活塞上的驅動力通過連桿機構產生的驅動力矩與手臂的俯仰角有關，當手臂處在仰角為1的位置OA1時，驅動力矩為因為 而 所以 而 式中，a,b,c機械手的結構尺寸（參見圖14）；P作用于活塞上的驅動力；P液壓缸的工作壓力；D活塞缸的內徑；密封裝置的摩擦阻力；非工作腔的油壓（背壓），當非工作腔通油箱或大氣時，=0。當手臂處在俯仰2的位置OA2時，驅動力矩為因為 而 所以 當手臂處在水平位置時，=0，驅動力矩為手臂俯仰時的驅動力矩，應克服手臂部件的重量對回轉軸線所產生的偏重力矩、手臂啟動時的慣性力矩以及各回轉副處的摩擦力矩，即式中，仰運動時手臂部手臂作俯件總質量對回轉軸線所產生的偏重力矩，當手臂上仰時為正，下俯時為負；手臂作俯仰運動時的慣性力矩；手臂作俯仰運動時，各運動副處的摩擦力矩。因在手臂與立柱連接處一般都用滾動軸承，摩擦阻力較小，故摩擦力矩可忽略不計，則上式可簡化為各缸主要尺寸的計算結果如下表所示。 各缸的主要尺寸 mm液壓缸名稱內徑D外徑D0寬度b桿徑d厚度長度l立柱回轉液壓缸1502306040手臂俯仰液壓缸4050285265手臂伸縮液壓缸6579207550六 液壓系統(tǒng)的設計本次所設計的機械手3個自由度，即主運動有3個自由度（手臂的伸縮、回轉、俯仰）分別由一個直動液壓和兩個回轉液壓缸來實現。機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖如下圖所示：6.1 液壓缸參數確定液壓缸工作載荷的確定R= Rt+RfRmRt=RwRg式中，R液壓缸的工作載荷；Rw液壓缸軸線方向上的外作用力；Rg液壓缸軸線方向上的重力；Rf運動部件的摩擦力；Rm運動部件的慣性力。非標準機械的液壓缸設計，按實際計算出工作壓力后，還應符合液壓缸額定工作壓力系列標準規(guī)定（JB2183-77），本設計確定的系統(tǒng)工作壓力為2.5Mpa。液壓缸推力的確定當液壓缸工作壓力確定之后，即可計算出液壓缸的推力。對于活塞式液壓缸，液壓缸的推力為P=pA式中，p系統(tǒng)的工作壓力；A活塞的有效工作面積。.液壓缸流量的計算液壓缸的工作流量為q=Av式中，v液壓缸或活塞桿的速度；A液壓缸的有效工作面積。因此，只要確定出液壓缸的直徑D，就可求出活塞或液壓缸的有效工作面積，從而可求得液壓缸的推力和流量?；蛘撸鶕鞲椎膶嶋H工作載荷P，先求出活塞或液壓缸的有效工作面積A，再確定各缸的直徑D。6.2.液壓缸基本尺寸的確定1）活塞缸直徑D的確定無桿腔工作時：D=有桿腔工作時：D=式中，系統(tǒng)的工作壓力，=2.5Mpa；回油腔的壓力；機械效率，一般取=0.95； 液壓缸的工作載荷；活塞桿的直徑。按上式計算后，還應按JB2183-77取規(guī)定系列的直徑值。2）活塞桿直徑d的確定活塞桿直徑可按工作壓力確定，對于常用速比的液壓缸也可根據已定的缸徑D查下表：液壓缸工作壓力（MPa） 5 57 7活塞桿直徑d （0.50.6）D （0.60.7）D 0.7D另外，當液壓缸速度在610 m/s左右時，也可按活塞往返的工作速度之比來確定活塞桿直徑：d=D，其中=速比與工作壓力有如下關系：工作壓力（MPa ） 1.0 1.2520 20速比 1.33 1.462 23）液壓缸壁厚的確定=式中，試驗壓力； D 液壓缸直徑；缸體材料的許用應力。4）液壓缸外徑D0及長度l的確定D0=D+2l（2030）D0缸體長度l根據上式由活塞行程來確定，并注意缸體的制造工藝性和經濟性。七 控制系統(tǒng)的設計7.1操作方式機械手的操作方式分為手動操作和自動操作兩種。1.手動操作：就是用按鈕作機械手的每一步運動進行單獨的控制。當選擇升降按鈕時，按下啟動按鈕，機械手上升；按下停止按鈕時，機械手上升。當選擇正轉/逆轉按鈕時，按下啟動按鈕，機械手順時針轉動，而按下停止按鈕時，機械手逆時針轉動。同理，當選擇夾緊/放松按鈕時，按下啟動按鈕，機械手爪夾緊，而按下停止按鈕時，手爪松開。2.自動操作：機械手從原點開始，按下啟動按鈕，機械手的動作將自動的、連續(xù)的周期性循環(huán)。在工作中若按下停止按鈕，機械手將繼續(xù)完成一個周期動作后，回到原點位置。7.2工藝過程與控制要求機械手的動作有腰座的旋轉，手臂的府仰，水平手臂的伸縮及手爪的夾緊與松開。手臂府仰和水平伸縮由液壓實現驅動；手爪的夾緊與放松，通過柱塞缸與齒輪來實現；腰座旋轉通過步進電動機與齒輪來實現。其中，液壓缸由相應的電磁閥控制，府仰分別由雙線圈的兩位電磁閥控制，當下降電磁閥通電時，機械手下降；斷電時，機械手下降停止；當上升電磁閥通電時，機械手上升；斷電時，機械手上升停止。而水平方向的伸縮主要由電液伺服閥、伺服驅動器、感應式位移傳感器構成的回路進行調節(jié)控制。實現執(zhí)行手爪夾緊與放松的柱塞缸，由單線圈的電磁閥（夾緊電磁閥）來控制，當線圈不通電時，柱塞缸不工作，當線圈通電時，柱塞缸工作沖程，手爪張開，柱塞缸工作回程，手爪閉合。當機械手旋轉到機床上方，并準備下降進行上下料工作時，為了確保安全，必須在機床停止工作并發(fā)出上下料命令時，才允許機械手下降進行作業(yè)。同時，從工件料架上抓取工件時，也要先判斷料架上有無工件可取。7.3 作業(yè)流程機械手工作流程如圖所示：從原點開始，按下啟動鍵，且有上下料命令，則水平液壓缸開始前伸并進行伺服定位，前伸到位后，停止前伸； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降，同時張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，同時手爪夾緊，抓住工件； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC開始輸出高速脈沖，驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 接著下降電磁閥通電，機械手下降，下降到位后，碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止，機械手到達卡盤中心高度； 機械手開始水平定位后縮，將工件裝入機床卡盤； 當工件裝入到位后，卡盤收緊； 機械手松開手爪，準備離開； 接著上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC啟動高速脈沖驅動機械手作順時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動，機械手回到原點待命； 機床進行加工。當數控機床加工完一個工件時，發(fā)送下料命令給機械手，機械手接到命令后，PLC馬上輸出脈沖驅動機械手逆時針轉動，當轉過90度到位后，PLC停止輸出脈沖，機械手停止轉動； 下降電磁閥通電，同時手爪柱塞缸電磁閥也通電，機械手下降且張開手爪，下降到位后碰到下限行程開關，下降電磁閥斷電，下降停止且手爪夾緊，夾緊已加工好的工件；機床卡盤松開； 機械手開始前伸，將工件從機床上取出，準備運走； 上升電磁閥通電，機械手開始上升，上升到位后，碰到上限位開關，上升電磁閥斷電，上升停止； PLC輸出高速脈沖，驅動機