液壓傳動機械手的設(shè)計

液壓傳動機械手的設(shè)計摘要在當今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，普遍重視生產(chǎn)過程的自動化程度，工業(yè)機器人作為自動化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認同并采用。工業(yè)機器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個國家工業(yè)自動化的水平，目前，工業(yè)機器人主要承擔著焊接、噴涂、搬運以及堆垛等重復性并且勞動強度極大的工作，工作方式一般采取示教再現(xiàn)的方式。通過對機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)大學本科四年的所學知識進行整合，對工業(yè)機械手各部分機械結(jié)構(gòu)和功能的了解和分析，設(shè)計了此液壓傳動機械手。重點針對機械手的手部、腕部、臀部等各部分機械結(jié)構(gòu)以及液壓系統(tǒng)進行了詳細的設(shè)計計算。具體進行了機械手的總體設(shè)計，腰座結(jié)構(gòu)的設(shè)計，機械手手臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計，機械手腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計，末端執(zhí)行器（手爪）的結(jié)構(gòu)設(shè)計，機械手的機械傳動機構(gòu)的設(shè)計，機械手驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計。同時對液壓系統(tǒng)進行了理論分析和計算。本設(shè)計虛擬開發(fā)的機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)進行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。關(guān)鍵詞：機械手；手部；腕部；臀部；液壓系統(tǒng)；ThedesignofthehydraulicmanipulatorAbstractInthemodernlarge-scalemanufacturingindustry,enterprisespaymoreattentionontheautomationdegreeoftheproductionprocessinordertoenhancetheproductionefficiency,andguaranteetheproductquality.Asanimportantpartoftheautomationproductionline,industrialrobotsaregraduallyapprovedandadoptedbyenterprises.Thetechniquelevelandtheapplicationdegreeofindustrialrobotsreflectthenationalleveloftheindustrialautomationtosomeextent,currently,industrialrobotsmainlyundertakethejopsofwelding,spraying,transportingandstowingetc.,whichareusuallydonerepeatedlyandtakehighworkstrength,andmostoftheserobotsworkinplaybackway.Integratetheknowledgeofthepastfouryears’ofundergraduatecourseofMachine,discussandanalysistheeachpartandfunctionofmanipulator;designakindofcylindericalcoordinatemanipulatorusedtopackandunloadworkpieceforCNCmachinetools.Inparticular,madethedetaileddesignaboutbase,arm,andendeffectorandthecontrolsystemetc.includingTotaldesign,waist’sconstructiondesign,thearm’sconstructiondesign,thewrist’sconstructiondesign,theendeffector’sconstructiondesign,andthedrivesystemofmanipulator.Atthesametime,analysisandcomputethehydraulicpressuresystemandcontrolsystem.KeywordsManipulator、Hand、Wrist、Buttock、Hydraulicsystem1.1工業(yè)機器人簡介工業(yè)機器人由操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。機器人應(yīng)用情況，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。生產(chǎn)中應(yīng)用機械手可以提高生產(chǎn)的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產(chǎn)品質(zhì)量、實現(xiàn)安全生產(chǎn)尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。1.2工業(yè)機械手的分類現(xiàn)在對工業(yè)機械手的分類尚無明確標準，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。按規(guī)格（所搬運工件的重量）分類：（1）.微型的一搬運重量在1公斤以下：（2）.小型的一搬運重量在10公斤以下：（3）.中型的一搬運重量在50公斤以下：（4）.大型的一搬運重量在50公斤以上。目前大多數(shù)工業(yè)機械手能搬運的重量為1?30公斤。最小的為0.5公斤，最大的已達到800公斤。按功能分類：（1）.簡易型工業(yè)機械手有固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轉(zhuǎn)鼓和擋塊轉(zhuǎn)鼓控制：可變程序可插銷板或順序轉(zhuǎn)動控制來給定程序。這種機械手多為氣動或液動，結(jié)構(gòu)簡單，改變程序比較容易。只使用在程序較簡單的點位控制，但作為一般單機服務(wù)的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數(shù)量最多。（2）.記憶再現(xiàn)型工業(yè)機械手這種工業(yè)機械手由人工通過實驗裝置傳動一遍，由磁帶（或磁鼓）把程序記錄下來，此機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作。這也是采用較多的一種，多為電液伺服驅(qū)動。與前者比較有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較廣。（3）.計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手可通過更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機械手的動作，還可以進行多種控制（DNC）。技術(shù)還可以是可編程序控制或普通的微機計算機。（4）.智能工業(yè)機械手（機器人）由電子計算機控制，通過各種傳感元件等具有視覺、熱感、觸覺、行走機構(gòu)等。按用途分：（1）.專用機械手附屬于主機的，具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置，這種工業(yè)機械工作對象不變，手動比較簡單，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，施用于大批量生產(chǎn)自動線或?qū)C作為自動上、下料用。（2）.通用機械手具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變、動作靈敏、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，使用于工件經(jīng)常變換的中、小批量自動化生產(chǎn)。1.3機器人的發(fā)展1.3.1國外機器人發(fā)展近幾個趨勢.工業(yè)機器人性能不斷提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修)，而單機價格不斷下降。.機械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。.工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。.機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。1.3.2我國機器人的發(fā)展現(xiàn)狀我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機器人操作機的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人；其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線(站)上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產(chǎn)業(yè)，當前我國的機器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、?；O(shè)計，積極推進產(chǎn)業(yè)化進程。我國的智能機器人和特種機器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機器人，6000米水下無纜機器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機器人、爬壁機器人、管道機器人等機種；在機器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機器人、智能裝配機器人、機器人化機械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進行列之中。1.4我所設(shè)計的機械手

1.4.1臂力及運動速度的確定目前使用的機械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機械手的臂力為N臂=1650(N)，安全系數(shù)K一般可在1.5~3，本機械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為土1mm。液壓上料機械手的各運動速度如下：手臂伸縮速度手臂回轉(zhuǎn)速度手臂升降速度V臂伸V臂回V臂升55mm/s45°/s50手臂伸縮速度手臂回轉(zhuǎn)速度手臂升降速度V臂伸V臂回V臂升55mm/s45°/s50mm/s機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用機座式。機座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機器人所采用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機座底部也可以安裝行走機構(gòu)，已擴大其活動范圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式，本機械手采用手臂配置在機座立柱上的形式。手臂配置在機座立柱上的機械手多為圓柱坐標型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運動，工作范圍較大。1.4.3控制方式及驅(qū)動方式機械手控制方式是根據(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?？刂葡到y(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機械手外，大多數(shù)機械手均需進行專門的控制系統(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)動和機械驅(qū)動.本設(shè)計因臂力大，所以采用液壓驅(qū)動的方式。液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)運動的機械手。其主要特點是:介質(zhì)李源極為方便，輸出力小，液壓動作迅速，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差，沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在30公斤以下，在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結(jié)構(gòu)大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。液壓技術(shù)有以下優(yōu)點：.體積小、重量輕，因此慣性力較小，當突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊；.能在給定范圍內(nèi)平穩(wěn)的自動調(diào)節(jié)牽引速度，并可實現(xiàn)無極調(diào)速；.換向容易，在不改變電機旋轉(zhuǎn)方向的情況下，可以較方便地實現(xiàn)工作機構(gòu)旋轉(zhuǎn)和直線往復運動的轉(zhuǎn)換；.液壓泵和液壓馬達之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴格限制；

（5）.由于采用油液為工作介質(zhì)，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長;（6）.操縱控制簡便，自動化程度高；（7）.容易實現(xiàn)過載保護。2手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算2.1簡述手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結(jié)構(gòu)。夾持式手部由手指（或手爪）和傳力機構(gòu)所構(gòu)成。手指是與物件直接接觸的構(gòu)件，常用的手指運動形式有回轉(zhuǎn)型和平移型?；剞D(zhuǎn)型手指結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，故應(yīng)用較廣泛。平移型應(yīng)用較少，其原因是結(jié)構(gòu)比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時，工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結(jié)構(gòu)取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位（是外廓或是內(nèi)孔）和物件的重量及尺寸。而傳力機構(gòu)則通過手指產(chǎn)生夾緊力來完成夾放物件的任務(wù)。傳力機構(gòu)型式較多時常用的有:滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。本課題采用滑槽杠桿式。2.2驅(qū)動力的計算1.手指2.銷軸3.拉桿4.指座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,并通過銷軸中心0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001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ZAOC=ZBOC=ao根據(jù)銷軸的力平衡條件，即EFx=0,P1=P2^Fy=0P=2P1cosaP1=P/2cosa銷軸對手指的作用力為pl'o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P1'h=Nb因h=a/cosa所以P=2b（cosa）2N/a式中a一手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。a一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，當驅(qū)動力P一定時，a角增大則握力N也隨之增加，但a角過大會導致拉桿（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a=30°?40°。這里取角a=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/n式中n——手部的機械效率，一般取0.85?0.95；K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2K2——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為被抓取工件運動時的最大加速度，g為重力加速度。本機械手的工件只做水平和垂直平移，當它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒2，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°,a=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量夾緊力計算公式N=0.5G把已知條件代入得當量夾緊力為N=49(N)由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式P=2b(cosa)2N/a得P=P計算=2*45/27(cos30°)2*49=122.5(N)P實際=P計算K1K2/n取n=0.85,0=1.5,K2=1+1000/9810~1.1則P實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)3腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算3.1簡述手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應(yīng)性更強。手腕具有獨立的自由度，此設(shè)計手腕有細軸轉(zhuǎn)動和沿X軸左右擺動兩個自由度。手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動也采用回轉(zhuǎn)油缸。他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，自由度符合設(shè)計要求，它要求嚴格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。3.2腕部的結(jié)構(gòu)形式本機械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小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行連接和定位，動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)運動。圖3機械手的腕部結(jié)構(gòu)3.3腕部驅(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）TOC\o"1-5"\h\zM偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、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）⑴摩擦阻力矩M摩M摩=f（N1D1+N2D2）（N.m）2式中f一軸承的摩擦系數(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）；Di、D2軸承直徑（m）由設(shè)計知D1=0.035mD2=0.054mN1=800NN2=200NG1=98Ne=0.020時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M偏=G1e（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），當工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，M偏為零當e=0.020，G1=98n時M偏=1.96（N?m）⑶腕部啟動時的慣性阻力矩M慣①當知道手腕回轉(zhuǎn)角速度B時，可用下式計算M慣M慣=（J+J工件）—（N-m）

t式中a——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動）J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）J工件——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg?m2）按已知計算得J=2.5,J工件=6.25，a=0.3m/m2,t=2故M慣=1.3（N-m）②當知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度中時，也可以用下面的公式計算M慣：M慣=（J+J工件）（N-m）、2中式中中——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）；冬手腕回轉(zhuǎn)角速度（l/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=1.1S1.2（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)設(shè)計計算4.1簡述臂部是機械手的主要執(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)和升降運動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運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。手臂的各種運動通常由驅(qū)動機構(gòu)和各種傳動機構(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械手的工作性能，所以必須根據(jù)機械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運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：①剛度要大②導向性要好③偏重力矩要?、苓\動要平穩(wěn)、定位精度要高4.2手臂運動機構(gòu)機械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復直線運動的機構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構(gòu)、絲桿螺母機構(gòu)以及活塞缸和連桿機構(gòu)。4.2.1手臂伸縮運動這里實現(xiàn)直線往復運動是采用液壓驅(qū)動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂機構(gòu)中應(yīng)用比較多。如下圖所示為雙導向桿手臂的伸縮結(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）作往復直線運動。導向桿3在導向套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向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊?？捎糜谧ブ卮蟆⑿谐梯^長的場合。圖4雙導向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)4.2.2導向機構(gòu)液壓驅(qū)動的機械手手臂在進行伸縮（或升降）運動時，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?shù)膶蜓b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。目前采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿和其他的導向裝置，本機械手采用的是雙導向桿導向機構(gòu)。雙導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。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導向桿的剛性。如圖5所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導向桿的剛性。如圖4.3.2所示，在導向桿1的尾端用支承架4將兩個導向桿連接起來，支承架的兩側(cè)安裝兩個滾動軸承2,當導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。

LW24M4削圖5雙導向桿手臂結(jié)構(gòu)4.2.3手臂的升降運動如圖6所示為手臂的升降運動機構(gòu)。當升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠4做上下運動，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動套筒3做升降運動。其導向作用靠立柱的平鍵9實現(xiàn)。圖中6為位置檢測裝置。

圖6手臂升降和回轉(zhuǎn)機構(gòu)圖4.3手臂回轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機構(gòu)、鏈輪傳動機構(gòu)、連桿機構(gòu)等。本機械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)，如圖6所示，回轉(zhuǎn)運動由齒條活塞桿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做橫向往復運動。圖7手臂橫向移動機構(gòu)4.5臂部運動驅(qū)動力計算4.5.1臂水平伸縮運動驅(qū)動力的計算手臂做水平伸縮運動時，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)g式中W——手臂伸縮部件的總重量(N)；重力加速度(9.8m/s2)a啟動過程中的平均加速度(m/s2),Av而a—(m/s2)At△v——速度變化量。如果手臂從靜止狀態(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0.01s0.5s。當Fm=80N,W=1098(N),△V=500mm/s時，Pq=80+1098*05=80+112=192(N)'.2臂垂直升降運動驅(qū)動力的計算手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運動部件的重力，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)可按臂伸縮運動時的情況計算；W——臂部運動部件的總重量(N)；±——上升時為正，下降時為負。當Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W=1098N時Pq=40+100+1098=1238(N)4.5.3臂部回轉(zhuǎn)運動驅(qū)動力矩的計算臂部回轉(zhuǎn)運動驅(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)(N-m)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；(N-m)式中J——手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）;冬回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）;△t回轉(zhuǎn)臂啟動時間（s）當Mm=84（N?m），Mg=808=32（N?m）.匕Mq=1.3*116=150.8（N?m）對于活塞、導向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細計算，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。對于形狀復雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進行計算，其中有的部分可當作質(zhì)點計算。可以參考《工業(yè)機器人》表4-1。5液壓系統(tǒng)的設(shè)計計算5.1機械手液壓系統(tǒng)的簡單計算在本機械手中，用到的油缸有活塞式油缸（往復直線運動）和回轉(zhuǎn)式油缸（可以使輸出軸得到小于360°的往復回轉(zhuǎn)運動）及無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）。5.1.1雙作用單桿活塞油缸流量、驅(qū)動力的計算當壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度V1運動時所需輸入油缸的流量Q1為兀Q1=40D2V1對于手臂伸縮油缸：Q1=0.98cm3/s，對于手指夾緊油缸：Q1=1.02cm3/s，手臂升降油缸：Q1=0.8cm3/s油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P1即油缸的驅(qū)動力為：P1=—D2p14對于手臂伸縮油缸：p1=196N，對于手指夾緊油缸：p1=126N，對于手臂升降油缸：p1=320N當壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度V2運動時所需輸入油缸的流量Q2為：Q2=芻（D2-d2）V240對于手臂伸縮油缸：Q1=0.87cm3/s，手指夾緊油缸：Q1=0.96cm3/s，手臂升降油缸：Q1=0.72cm3/s油缸的有桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力P2即油缸的驅(qū)動力為：兀P2=4（D2-d2）pl對于手臂伸縮油缸：p1=172N，對于手指夾緊油缸：p1=108N，對于手臂升降油缸：p1=305N計算作用在活塞上的總機械載荷機械手手臂移動時，作用在機械手活塞上的總機械載荷P為P=P工+P導+P封+P慣+P回其中P工為工作阻力P封密封裝置處的摩擦阻力P慣慣性阻力P回背壓阻力P=83+125+66+80+208=562（N）確定油缸的結(jié)構(gòu)尺寸㈠油缸內(nèi)徑的計算油缸工作時，作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與活塞桿上所受的總機載荷平衡，即P=P1（無桿腔）=P2（有桿腔）油缸（即活塞）的直徑可由下式計算■4P^~p~、D=p1=1」3\：p1厘米（無桿腔）對于手臂伸縮油缸：D=50mm，對于手指夾緊油缸：D=30mm，對于手臂升降油缸：D=80mm，對于立柱橫移油缸：D=40mm'4P+nP1d2兀P1或D=I：—————厘米（有桿腔）㈡油缸壁厚的計算:兀P1依據(jù)材料力學薄壁筒公式，油缸的壁厚&可用下式計算：&=箱厘米P計為計算壓力卜］油缸材料的許用應(yīng)力。手臂伸縮油缸：&=6mm，手指夾緊油缸，&=17mm，手臂升降油缸：&=16mm，立柱橫移油缸:&=17mm㈢活塞桿的計算可按強度條件決定活塞直徑d?；钊麠U工作時主要承受拉力或壓力，因此活塞桿的強度計算可近似的視為直桿拉、壓強度計算問題，即c對于手臂伸縮油缸：d=30mm，對于手指夾緊油缸：d=15mm，對于手臂升降油缸：d=50mm,對于立柱橫移油缸:d=16mm5.1.2無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）流量、驅(qū)動力的計算丸D2d可對于手臂伸縮油缸：d=30mm，Q=Q133當D=103mm,d=40mm,a=0.95rad/s時Q=952N作用在活塞上的總機械載荷PP=P工+P封+P慣+P回其中P工為工作阻力P封密封裝置處的摩擦阻力P慣慣性阻力P回背壓阻力P=66+108+208=382(N)油缸內(nèi)徑的計算根據(jù)作用在齒條活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與總機械載荷的平衡條件，求得D=,：堇(厘米)V兀PD=45mm5.1.3單葉片回轉(zhuǎn)油缸在液壓機械手上實現(xiàn)手腕、手臂回轉(zhuǎn)運動的另一種常用機構(gòu)是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，簡稱回轉(zhuǎn)油缸流量、驅(qū)動力矩的計算當壓力油輸入回轉(zhuǎn)油缸，使動片以角速度冬運動時，需要輸入回轉(zhuǎn)油缸的流量Q為：3b(D2-d2)0Q=一Q400當D=100mm,d=35mm,b=35mm,0=0.95rad/s時Q=0.02m3/s回轉(zhuǎn)油缸的進油腔壓力油液，作用在動片上的合成液壓力矩即驅(qū)動力矩M：pb(D2-d2)M=8得M=0.8(N?m)作用在動片(即輸出軸)上的外載荷力矩MM=M工+M封+M慣+M回其中M工為工作阻力矩M封密封裝置處的摩擦阻力矩M慣參與回轉(zhuǎn)運動的零部件，在啟動時的慣性力矩M回回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背反力矩M=2.3+0.85+1.22+1.08=5.45(N?m)回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑的計算

回轉(zhuǎn)油缸的動片上受的合成液壓力矩與其上作用的外載荷力矩相平衡，可得:■8M__--tD=+d2（厘米）\bpD=30mm5.2油泵的選擇及功率一般的機械手的液壓系統(tǒng)，大多采用定量油泵，油泵的選擇主要是根據(jù)系統(tǒng)所需要的油泵工作壓力p泵和最大流量Q泵來確定。⑴確定油泵的工作壓力p泵P泵mp+￡△p式中p——油缸的最大工作油壓￡△p——壓力油路（進油路）各部分壓力損失之和，其中包括各種元件的局部損失和管道的沿程損失。p泵=60*105帕⑵確定油泵的Q泵油泵的流量，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)個回路按設(shè)計的要求，在工作時實際所需的最大流量Q最大，并考慮系統(tǒng)的總泄漏來確定Q泵=KQ最大其中K一般取1.10—1.25Q泵=53升/分⑶確定油泵電動機功率NpQ（千瓦）pQ（千瓦）式中p一油泵的最大工作壓力Q——所選油泵的額定流量門——油泵總效率小結(jié)本次我做的畢業(yè)設(shè)計是液壓傳動機械手的設(shè)計，經(jīng)過幾個月的努力，設(shè)計算是告一段落了。通過這設(shè)計，使我們了解了一般設(shè)計工作的基本流程和設(shè)計的方法以及理念。在本次的畢業(yè)設(shè)計中，我遇到了許多難題，通過查閱相關(guān)資料和同學的幫忙，以及指導教師的指導