五自由度液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)

第15頁共25頁五自由度液壓機(jī)械手設(shè)計(jì)摘要本課題是應(yīng)用在各種類型的小型機(jī)床上，或者配以行走機(jī)構(gòu)大范圍的搬運(yùn)零件的液壓機(jī)械手。工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)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)定要求輸送工件或握持工具進(jìn)行工作的自動(dòng)化技術(shù)設(shè)備，對(duì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化，推動(dòng)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。實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動(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)率和自動(dòng)化水平。液壓傳動(dòng)較其他傳動(dòng)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：液體壓力大，能夠獲得較大的輸出力；油的可壓縮性小，壓力、流量均較易控制，可無極變速；反映靈敏，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，維修方便，特別實(shí)用于高強(qiáng)度作業(yè)。在我的畢業(yè)論文中，我主要做了以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并運(yùn)用CAD等軟件進(jìn)行了繪圖。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；液壓系統(tǒng)。HydraulicMaterialHandingRobotDesignAbstractThistopicisusedinalltypesofsmallMachineTool,walkingorsupportedbyawiderangeofagencieshandingpartsofthehydraulicmanipulator.Industrialmachineryhandsistheinevitableproductofindustrialproduction,itisacopyoftheupperpartofthehumanbodyfunctions,inaccordancewiththescheduledtransferrequestHoldthepieceofwordortoolsfortheautomationtechnologyandequipment,industrialautomationandpromotethefurtherdevelopmentofindustrialproductionplaysanimportantRole.Sotheyhavestrongvitalityofthepeoplebytheextensiveattentionandwelcome.Practicehasprovedthattheindustrialrobotcanreplacetheheavylabor,significantlyreducedlaborintensityandthelevelofautomation.Hydraulictransmissionthanotherrotaionhasthefollowingadvantages:fluidpressure,togetgreateroutput;oilcompressibilitysmall,pressureandflowareeasiertocontrol,continuouslyvarible;reflectthesensitiveandcanachievecontinuousTrackmaintenanceforcontrol,especiallyusefulinhigh-intensityoperations.Igraduatedfromathree-monthdesign,Imainlydothefollowing:thestructuraldesignofthehand,wriststruturaldesign,structuraldesignofthearm,thearmofthestructuraldesign,hydraulicsystemdesign.UsesomesoftwaretoPaintsuchasCAD.Keywords:Manipulator;StructuralDesign;HydraulicSystem.第一章緒論1.1課題背景和意義工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的*性生產(chǎn)。它對(duì)穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用［1］。機(jī)器人技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志［2］。機(jī)器人并不是在簡(jiǎn)單意義上代替要工的勞動(dòng)，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對(duì)環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時(shí)間持續(xù)工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化中的過程產(chǎn)物，它是工業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動(dòng)化設(shè)備［3］。在我國，汽車制造業(yè)中的機(jī)器人沖壓線，焊接線，涂裝線與總裝線，家電制造業(yè)中的機(jī)器人裝配線，微電子業(yè)中的IC芯片的后封裝技術(shù)，各種制造業(yè)中的自動(dòng)化物流輸送系統(tǒng)，以及信息，食品，制藥等行業(yè)，對(duì)機(jī)器人及其生產(chǎn)線放成套技術(shù)提供了巨大的市場(chǎng)需求。客戶化小量生產(chǎn)是市場(chǎng)的需求，是今后制造業(yè)中非常重要的一種生產(chǎn)模式，它對(duì)自動(dòng)化裝備提出了新的要求，即要求生產(chǎn)線具有較高的柔性和敏捷性，以適應(yīng)客戶的需求和產(chǎn)品經(jīng)常變型的需求［4］。生產(chǎn)效率是制造企業(yè)的核心問題和永恒追求的目標(biāo)。它不僅可以降低產(chǎn)品的成本，直接影響產(chǎn)品的性能價(jià)格比，而且還間接的影響空間的設(shè)備的利用率［5］。現(xiàn)在，我們的工廠雖然有了一些單元自動(dòng)化。但某些關(guān)鍵崗位仍有人工操作，造成了連續(xù)生產(chǎn)線的堵塞，原因是這些工作崗位的操作復(fù)雜多變。采用機(jī)器人或智能化機(jī)器人是大幅度提高生產(chǎn)率的一個(gè)很好的解決辦法［6］。中國機(jī)器人經(jīng)過了二十多年的發(fā)展，已經(jīng)作好了產(chǎn)業(yè)化的準(zhǔn)備。隨著中國加入WTO，中國企業(yè)將加入國際化的競(jìng)爭(zhēng)，特別是“十五”計(jì)劃國家將汽車工業(yè)作為重點(diǎn)發(fā)展行業(yè)，提高生產(chǎn)的自動(dòng)化水平是快速發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，發(fā)展中國的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，特別是發(fā)展高級(jí)信息智能化和生產(chǎn)系統(tǒng)的機(jī)器人化。將是中國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的新階段。我們要抓住這一機(jī)遇，迎頭趕上去。人在連接工作幾個(gè)小時(shí)之后，總會(huì)感到疲勞或厭倦，機(jī)械手只要對(duì)它注意維修和檢修就能任長時(shí)間的單調(diào)簡(jiǎn)單重復(fù)勞動(dòng)。機(jī)械手對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能代替人從事危險(xiǎn)有害的工作。在長時(shí)間工作對(duì)人有害的場(chǎng)所，機(jī)械手不受影響，只要針對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選用適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)。機(jī)械手就可以在異常高溫或低溫，異常壓力或有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、厭火環(huán)境下勝任工作［7］。機(jī)械手能持久、耐久，可以把人從繁重的勞動(dòng)中解放出來，并能擴(kuò)大和延伸人手的功能。并且動(dòng)作準(zhǔn)確，可保證穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量。同時(shí)可避免人為的操作失誤。液壓機(jī)械手作為機(jī)械手的一種有下面幾個(gè)特點(diǎn)：液體壓力大，能夠獲得較大的輸出力油的可壓縮性小，壓力、流量均較易控制，右無級(jí)變速。反映靈敏，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制維修方便，特別實(shí)用于高強(qiáng)度作業(yè)。1．2國內(nèi)外研究狀況早在1962年美國機(jī)械鑄造公司就實(shí)驗(yàn)成功了一種叫versatrap的機(jī)械手，愿意是靈活搬動(dòng)。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)是示教再現(xiàn)型。是國外工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展基礎(chǔ)。聯(lián)邦德國是從1970年開始把液壓機(jī)械手用于工業(yè)生產(chǎn)，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的搬運(yùn)。日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。只1969年沖美國引進(jìn)二種典型液壓機(jī)械手后，大力從事研究。1979年從事研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個(gè)。1976年某個(gè)大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)器手的研究費(fèi)用占總研究費(fèi)用的42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)433億日元，其中液壓機(jī)械手占大部分。蘇聯(lián)自六十年代開始使用發(fā)展液壓機(jī)械手[8]。國內(nèi)的液壓機(jī)械手較國際上起步較晚，但是發(fā)展比較迅速。在這方面比較突出的大學(xué)有：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，哈爾濱市工業(yè)大學(xué)，浙江大學(xué)。本報(bào)訊日前，由哈工大機(jī)器人研究所牽頭研制的“863”重點(diǎn)頊目“小型智能飛行機(jī)器人系統(tǒng)空間機(jī)械手系統(tǒng)”通過“863”專家組驗(yàn)收[9]。該空間機(jī)械手系統(tǒng)在空間站搭建、衛(wèi)星故障修復(fù)、空間艙內(nèi)科學(xué)實(shí)驗(yàn)、深空探測(cè)等空間作業(yè)領(lǐng)域及核工業(yè)等危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境方面具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。據(jù)了解，為更好地完成該系統(tǒng)的研究，哈工大成功研制了空間機(jī)械手系統(tǒng)原型樣機(jī)。該樣機(jī)包括6自由度可折疊機(jī)械臂、手爪、中央控制器和支撐鎖緊機(jī)構(gòu)。關(guān)節(jié)采用模塊化設(shè)計(jì)方法，集機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)、傳感和控制為一體，用用大中心孔設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的內(nèi)部走線，以消除空間環(huán)境對(duì)導(dǎo)線及其傳輸信號(hào)的影響：空間機(jī)器人手主要技術(shù)規(guī)格“砂型最大尺寸：1450ｘ1200ｘ800ｍｍ砂型最小尺寸：800ｘ600ｘ200ｍｍ最大提升重量：3000說明：液壓機(jī)械手可配升降、行走機(jī)構(gòu)，需根據(jù)客戶要求現(xiàn)場(chǎng)情況另行非標(biāo)設(shè)計(jì)[10]。1．3課題研究的內(nèi)容本課題作為一個(gè)實(shí)際課題，是關(guān)于液壓機(jī)械手的研制，主要的研究內(nèi)容有以下幾個(gè)方面：手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)油缸及其附屬的選擇和校核、活塞桿校核。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這是連接手部與臂部的部件，手腕的設(shè)計(jì)除了要滿足啟動(dòng)和傳送的過種中所需要的力矩外，還要使手腕的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。并且用來調(diào)整被抓物體的位置方位，本機(jī)械手上下擺動(dòng)和饒自身軸線的回轉(zhuǎn)二個(gè)自由度。小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支撐腕部和手訓(xùn)主要用來改變工件的位置，手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決臂部的運(yùn)動(dòng)方式。小臂的伸縮范圍和回轉(zhuǎn)的角度。大臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大臂的升降高度的范圍和回轉(zhuǎn)的角度的確定等。液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)合理的液壓控制系統(tǒng)來現(xiàn)好的完成五自由度的工作要求，讓機(jī)械手更精確漂亮的完成給予它的任務(wù)。第2章總體方案的設(shè)計(jì)論證2．1設(shè)計(jì)思想概述人在連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)以后，總會(huì)感受到疲勞或是厭倦，機(jī)械手只要對(duì)它注意維護(hù)和檢修即能勝任長時(shí)間的單調(diào)簡(jiǎn)單重復(fù)勞動(dòng)。機(jī)械手對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，能代替人從事危險(xiǎn)、有害的工作。在長時(shí)間工作尋人體有害的場(chǎng)所，機(jī)械手不受影響，只要根據(jù)工作環(huán)境進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，選用適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，機(jī)械手就可以在異常高溫或者低溫、異常壓力和有害氣體、粉塵、放射線作用下，以及沖壓、滅火等危險(xiǎn)環(huán)境中勝任工作[8]。機(jī)械手能持久、耐勞，能把人從繁重的勞動(dòng)中解放好來，并能擴(kuò)大和延伸人手的功能。并且動(dòng)作準(zhǔn)確，可保證穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)，可避免人為的操作失誤。2．2設(shè)計(jì)工作要求本此課程設(shè)計(jì)的目的就是要設(shè)計(jì)一種工業(yè)搬運(yùn)機(jī)械手，把人從沉重的勞動(dòng)中解放出來。該機(jī)械手要求至少要有五個(gè)自由度，以便是工件在有限三維空間能達(dá)到任意位置。并在保證上述設(shè)計(jì)要求的前提下，*量滿足標(biāo)準(zhǔn)化，經(jīng)濟(jì)性，可靠性和人機(jī)工程學(xué)等方面的要求。2．3根據(jù)工作要求，擬定機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)2.3.1擬定機(jī)械后運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1：圖2-1機(jī)械手運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖由簡(jiǎn)圖可知：機(jī)械手的組成包括手部、腕部、小臂、大臂四部分。手部：直接接觸工件的部分，用來夾緊工件此機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)型外夾式兩指式結(jié)構(gòu)。腕部：連接手部與小臂的部分，用來調(diào)整抓取物體的方位，它有上下擺動(dòng)和饒自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)自由度。小臂：連接腕部與大臂的部分，可發(fā)沿軸線線方向伸縮。大臂：連接小臂與固定機(jī)械手整體的部分，有饒自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)和伸縮兩個(gè)自由度。2．3．2各部分長度*寸的擬定如圖2-2圖2-2各部分長度尺寸簡(jiǎn)圖手部及腕部總長度為400mm小臂總長度為400-600mm，其中200大臂總長度為500-650mm，其中1502．3．3選取坐標(biāo)形式及自由度數(shù)本機(jī)械手采用5自由度球坐標(biāo)形式分別是：沿X方向的伸縮；沿Z方向的升降；繞X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；繞Z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)；饒P點(diǎn)，在XZ平面的轉(zhuǎn)動(dòng)。2．3．4機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)如表2-1表2-1機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)方式動(dòng)作范圍速度緩沖方式腕部回轉(zhuǎn)-90°～90°90°/sec節(jié)流閥調(diào)速手臂擺動(dòng)-90°～90°90°/sec節(jié)流閥調(diào)速小臂伸縮300mm100mm/sec節(jié)流閥調(diào)速大臂升降200mm100mm/sec節(jié)流閥調(diào)速大臂回轉(zhuǎn)-90°～90°90°/sec節(jié)流閥調(diào)速2．3．5機(jī)械手總體參數(shù)如表2-2表2-2機(jī)械手總體參數(shù)項(xiàng)目技術(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)形式球坐標(biāo)式自由度數(shù)5驅(qū)動(dòng)方式液壓驅(qū)動(dòng)最大負(fù)荷10Kg手指夾持范圍φ48-φ80定位精度±1mm安裝環(huán)境0-50°2．4本章小節(jié)通過構(gòu)思設(shè)計(jì)思想，我擬定了運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和各部分長度尺寸還有機(jī)械手的總體參數(shù)。讓我對(duì)這個(gè)課題有了更進(jìn)一步的了解，為我以后的設(shè)計(jì)計(jì)算做好了鋪墊，是我的畢業(yè)設(shè)計(jì)由大框理論向精確的設(shè)計(jì)計(jì)算過度。第三章各部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)論證3．1手部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手部設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題：手指應(yīng)有足夠的夾緊力。為使手指牢靠地夾緊工件，除考慮被夾持工件的重量外，還應(yīng)考慮工件在傳送過程中所產(chǎn)生的動(dòng)載荷[9]。手指應(yīng)有一定的開閉范圍，其大小不僅與工件的*寸有關(guān)，而且注意手部接近工件時(shí)的運(yùn)動(dòng)路線及方位的影響。應(yīng)保證工件在手指內(nèi)準(zhǔn)確定位。結(jié)構(gòu)盡量昆湊、重量輕，以利于腕部和臂部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。據(jù)應(yīng)用條件考慮通用性。3．1．1油缸及其附屬的選擇及校核如圖3-1所示手部結(jié)構(gòu)：圖3-1手部結(jié)構(gòu)圖其受力分析如圖3-2：圖3-2受力分析圖其中C=28mmB=80mmα3．1．1．1油缸內(nèi)徑的選擇及其校核根據(jù)銷軸的力平衡條件，p1=p2=p（3-1）2cosα然后由力矩平衡條件，即ΣM0(F)=0得：p1·h=N·b由于h=ccosα所以p=2Nb·cos2α（3-2）cb—工件中心到回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的距離（--）；c—銷到對(duì)稱中心線的距離（--）；α—滑槽方向與兩銷軸連線得夾角（。）。手部的計(jì)算：手指夾緊力N=K1·K2·K3·G（3-3）式中：K1—安全系數(shù)，通常取1.2—2.0K2—工件情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。K2可以近似估算。K2=1+a/g，其中a為被抓取工件的最大加速度，G為重力加速度。取9.8m/s。K3—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。G—被抓取工件的重量。以知：V鉗形口角度2θ=120°取K1=1.2工件最大緩沖加速度a=2m/s2K2=1+a/g=1+2/9.8=1.2已知：V型鉗口角度2θ=120°，根據(jù)所選機(jī)械手手部特點(diǎn)，查表選：K3=5將已知條件代入：N=K1·K2·K3·G=1.21.2ｘ5ｘ10x9.8=706.8N（3-4）由驅(qū)動(dòng)公式P計(jì)算=2Nb·cos2αc=2ｘ706.8ｘ80·cos245°28=2019N（3-5）取η=0.9P實(shí)際=P實(shí)際=2019=2244Nη0.9確定油缸直徑DP實(shí)際==π(D2-d2)p/4（3-6）選取活塞桿直徑d=0.5D選取壓力油工作壓力p=4MPa活塞桿內(nèi)徑D2=4P實(shí)際πp(1-0.52)=4ｘ22443.14ｘ4ｘ106ｘ0.75D=30.86mm（3-7）根據(jù)油缸內(nèi)徑系列選取油缸內(nèi)徑D=32mm則活塞桿直徑：d=D/2=16mm油缸壁厚度的計(jì)算：油缸內(nèi)徑確定后，由強(qiáng)度條件計(jì)算所需要的最薄處缸壁厚度δ，再根據(jù)體的結(jié)構(gòu)來確定適當(dāng)數(shù)值[3]。以滿足設(shè)計(jì)要求。依據(jù)材料力學(xué)的薄壁公式，油缸的壁厚δ：δ≥pyD（3-8）2[σ]δ——油缸臂厚（mm）py——油缸內(nèi)實(shí)驗(yàn)壓力，當(dāng)液壓缸的額定壓力pn≤16MPa，py=1.5pn(MPa)D——油缸內(nèi)徑（mm）[δ]—缸壁材料的許用應(yīng)力，[δ]=[b]/n為材料抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般在3。5～5之間，在這里我們?nèi)=5工作壓力pn=4MPaPY=pnｘ150％=4ｘ150％=6MPa缸壁材料選用45號(hào)鋼σb=600MPa[δ]=σb/n=600/5=120MPaδ≥pyD=6ｘ32=0.6mm2[σ]2ｘ120但出于對(duì)其他總件的裝配考慮，油缸壁厚選為12—3．1．2活塞桿校核3．1．2．1活塞桿的穩(wěn)定性校核由于活塞桿長度L（200mm）遠(yuǎn)小于15d（8003．1．2．2活塞桿的強(qiáng)度校核夾緊缸內(nèi)的活塞桿主要是受軸向壓力作用，因此只要對(duì)他抗壓強(qiáng)度進(jìn)行校核即可。活塞桿受力如圖3-3圖3-3活塞桿受力示意圖受壓強(qiáng)度的計(jì)算：σ=pπd2/4=2244πｘ(0.016)2/4=11MPa（3-9）[σ]=203MPaσ≤[σ]故活塞桿取16mm3．1．3油缸端蓋螺釘?shù)男：擞透锥松w共有4個(gè)螺釘，均布，則每個(gè)螺釘受力：Q=Q′+F式中：Q——預(yù)緊力，Q′=KFF——工件載荷F=P·S=4ｘ106·π·[(0.032)2-(0.032)2]=2411.5N44K取1.6：因?yàn)镵F=2411.5ｘ1.6=3858.4所以Q=2411.5+3858.4=6269.9N根據(jù)工程手冊(cè)，選取直徑為6—的內(nèi)六角螺釘即可。由于篇幅有限，只對(duì)主要部件進(jìn)行校核，并且預(yù)留了較大的—量，其他部件根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，不再一一校核。3．2腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手腕的設(shè)計(jì)：它是連接手部與臂部的部件，手腕的設(shè)計(jì)除了滿足啟動(dòng)和傳送過程中所需的力矩外，還要使手腕的結(jié)果簡(jiǎn)單、緊湊。并且用來調(diào)整被抓物體的方位，本機(jī)械手上下擺動(dòng)和饒自身軸線和回轉(zhuǎn)兩個(gè)自由度。3．2．1手腕回轉(zhuǎn)缸的計(jì)算結(jié)構(gòu)的估計(jì)重量：由于對(duì)結(jié)構(gòu)的重量計(jì)算不便，本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)估重，即把所需的部件看作一個(gè)實(shí)心體，用它的體積乘以材料的密度，把所得結(jié)果作為所求結(jié)果得質(zhì)量。由于工件內(nèi)部有較多空間存在，這樣得結(jié)果計(jì)算有較大余量，更加保證了工作要求。1-定片2-缸體3-回轉(zhuǎn)軸4-動(dòng)片5-密封圈圖3-4腕部回轉(zhuǎn)缸簡(jiǎn)圖3．2．1．1手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動(dòng)力矩M總=M摩+M偏+M慣（3-11）由設(shè)計(jì)圖紙估測(cè)得，手抓、手抓驅(qū)動(dòng)缸及回轉(zhuǎn)缸所占空間等效為一個(gè)高L=400mm，半徑r=30G約=ρυ=7.8ｘ103ｘπｘ(0.030)2ｘ0.4=8.821kg了計(jì)算方便取G=10取摩擦力矩M摩=0.1M總M慣=0.0175（J+J工件）ψ２／２φ起（3-12）啟動(dòng)過程中所轉(zhuǎn)過的角度φ起=18°等速角速度轉(zhuǎn)動(dòng)ψ=90°/secJ=0.5ｘｍｒ２=0.5ｘ10ｘ(0.03)２=0.0045kg·m２考慮手部夾持的范圍，工件的最大尺寸為L=300mm，r=40J工件=————=————=————（3-13）M總=——————由于腕部為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，M偏=0。M總=M摩+M偏+M慣=0。1M總+3。4所以M總=3。73．2．1．2確定轉(zhuǎn)軸的*寸（1）由強(qiáng)度條件計(jì)算該軸的最小直徑——————（3-14）W-——抗扭截面模量————材料所受的最大剪應(yīng)力[-]—材料的許用剪應(yīng)力對(duì)于軸類零件W-————?jiǎng)t——————（3-15）對(duì)于本設(shè)計(jì)所使用的45號(hào)鋼，取[-]=————————————出于對(duì)結(jié)構(gòu)上以及整體加工制造和安裝等方面得得綜合考慮，根據(jù)油缸內(nèi)徑系列選?。篋=56--，-=24—回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算：M=————————（3-16）式中：M總—手腕回轉(zhuǎn)總的阻力距；回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力；缸體內(nèi)徑；回轉(zhuǎn)軸半徑；動(dòng)片寬度。取————，定轉(zhuǎn)軸的最小*寸代入?yún)?shù)：——————————滿足設(shè)計(jì)要求，故可以選用。3．2．2腕部擺缸的設(shè)計(jì)3．2．2．1偏離中心——的計(jì)算腕部受力如圖3-5：圖3-5腕部受力圖根據(jù)腕部及手部結(jié)構(gòu)，機(jī)械手空載重心偏向擺缸，估測(cè)得15--。由——————得：150*10+350*10=（10+10）*XX=2503．2．2．2油缸的選擇與校核M總=M摩+M偏+M慣取摩擦力矩M摩=0。1M總M偏=————M慣=————啟動(dòng)過程中所轉(zhuǎn)過的角度——等速角速度轉(zhuǎn)動(dòng)————由于手腕部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可以將其質(zhì)量全部假設(shè)在重心——處，經(jīng)分析得，由此得到得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)值大于其實(shí)際數(shù)值，故可以用其校核，保證了其工程強(qiáng)度，并且有較大余量。J=————————考慮手部夾持的范圍，工件的最大*寸為L=300--，-=40--，遠(yuǎn)小于工件到O點(diǎn)距離—，故可也可近似得將其質(zhì)量放在重心處計(jì)算其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。J工件=————M慣=————因?yàn)镸=————所以M總=————3．2．2．3油缸軸回轉(zhuǎn)的選擇與校核（1）由強(qiáng)度條件計(jì)算該軸的最小直徑————W抗扭截面模量材料所受的最大剪應(yīng)力材料得許用剪應(yīng)力對(duì)于軸類零件W——?jiǎng)t————對(duì)于本設(shè)計(jì)所使用的45號(hào)鋼，取[-]=————————-出于對(duì)結(jié)構(gòu)上以及整體加工制造和安裝等方面得得綜合考慮，根據(jù)油缸內(nèi)徑系列選取：R=40--，-=24--?；剞D(zhuǎn)軸得校核回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算：M=————式中：M總—手腕回轉(zhuǎn)總的阻力矩；--回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力；缸體內(nèi)徑；回轉(zhuǎn)軸半徑；--動(dòng)片寬度。取——————確定轉(zhuǎn)軸的最小*寸代入?yún)?shù)————=——滿足設(shè)計(jì)要求，故可以選用。3．3小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手臂是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支*腕總和手部主要用來改變工件的位置。手部在空間的活動(dòng)范圍主要取決于臂部的運(yùn)動(dòng)形式。設(shè)計(jì)時(shí)注意以下幾點(diǎn)：鋼度要好。要合理的選擇臂部的截面形狀和輪廓*寸。我們選用懸臂梁無封鋼管作導(dǎo)向桿，用鋼板作支*板，以保證有足夠的剛度。偏重力矩要小。偏重力矩是指臂部的重量對(duì)其支*回轉(zhuǎn)軸（即機(jī)身————產(chǎn)生的力矩。它對(duì)臂部的升降運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)都產(chǎn)生影響。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使臂部的質(zhì)量分布合理，*減少其偏重力矩。質(zhì)量要輕，慣量要小。由于機(jī)械手在高速情況下常丐停和換向，為了減少運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)所產(chǎn)生的沖擊必須采用有效的緩沖裝置，力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕、以減少其偏重力。得向性要好。為了防止臂部在直線移動(dòng)中沿軸線發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，以保證手部的正確方向和準(zhǔn)確定位，必須有導(dǎo)向裝置，其結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)臂部的安裝形式抓取重量和運(yùn)動(dòng)行程等因素來確定類比同類型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)小臂結(jié)構(gòu)如下：1-導(dǎo)向桿2-支持板3-油缸圖3-6小臂伸縮機(jī)構(gòu)3．3．1伸縮油缸的設(shè)計(jì)根據(jù)油缸驅(qū)動(dòng)時(shí)所需克服負(fù)荷，摩擦，密封裝置，及慣性等幾個(gè)方面的阻力，確定油缸提驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)力公式：P=P摩+P密+P回+P慣式中：P摩—摩擦阻力。手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)件表面得摩擦力，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算。本設(shè)計(jì)為雙導(dǎo)向桿，導(dǎo)桿對(duì)稱配置在油缸兩側(cè)，兩導(dǎo)桿受力均衡，因此可按一個(gè)導(dǎo)桿進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)體積對(duì)各部分行重量進(jìn)行估算，取————得，G導(dǎo)=————為計(jì)算方便取G導(dǎo)=3—G總=G導(dǎo)+G腕+G工件=3+10+10=23—3.5本章小結(jié)在本章我對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)部分進(jìn)行了較深刻的理論計(jì)算，確定了設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠正常運(yùn)行，能夠勝任設(shè)計(jì)的要求。這期間我查閱了不少資料。讓我對(duì)大學(xué)四年的理論知識(shí)有了更深刻的認(rèn)識(shí)。第4章液壓控制系統(tǒng)的擬定4．1液壓系統(tǒng)的各種方案整個(gè)機(jī)械全是液壓驅(qū)動(dòng)，因此液壓控制系統(tǒng)是一個(gè)比較復(fù)雜的部件。因?yàn)闄C(jī)械手是用微機(jī)或可編程順序控制的以及從工況圖可知壓力和流量都不高，所以都用電磁換向閥作為換向部件，以獲得較好的自動(dòng)化程度。4．1．1調(diào)速方案整個(gè)液壓系統(tǒng)一般只用單泵或都雙泵工作，根據(jù)工況圖可知，各液壓缸都用泵的全流量工作是無法滿足設(shè)計(jì)要求的。盡管有的液壓缸是單一速度，但也需要進(jìn)行節(jié)流調(diào)速。各缸可選擇進(jìn)油路或回油路節(jié)流調(diào)速，因?yàn)閷?duì)速成度穩(wěn)定性要求不高，一般適宜選節(jié)流閥。在一般的情況下，手臂伸縮缸和手臂升降缸所需的流量較為接近，手腕回轉(zhuǎn)缸和手臂回轉(zhuǎn)缸及夾緊缸所需流量較為接近，且它們兩組所需的流量相差較遠(yuǎn)。這樣不但可以選擇如圖4-1所示的單泵供油系統(tǒng)。還可以選擇如圖4-2所示的雙泵供油系統(tǒng)。圖4-1單泵供油系統(tǒng)圖4-2雙泵供油系統(tǒng)單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需就是最大的來選擇泵的流量。優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，所需的元件較少，經(jīng)濟(jì)性好，缺點(diǎn)是當(dāng)所需流量少的崗動(dòng)作時(shí)，溢流損失較大，能源利用率較低。對(duì)于系統(tǒng)功率較小的場(chǎng)合是可取的。雙泵供油系統(tǒng)，它在需大流量工作的缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，雙泵同時(shí)給其供油；在需小流量工作的缸運(yùn)動(dòng)時(shí)，則用小流量泵2供油，而大流量泵1卸荷。優(yōu)缺點(diǎn)與單泵供油系統(tǒng)相反。而且可以用雙聯(lián)泵代替雙泵。4．1．2減速緩沖回路通用工業(yè)機(jī)械手要求可變行程，它是由微機(jī)控制可在行程中任意點(diǎn)定位，故應(yīng)在液壓系統(tǒng)中采用緩沖回路。如圖4-3所示，就是一例。它由二信二通電磁換向閥和節(jié)流閥并聯(lián)組成。當(dāng)油缸運(yùn)動(dòng)快到希望點(diǎn)時(shí)，由位置檢測(cè)裝置（電位器）發(fā)訊給微機(jī)，微機(jī)控制電磁鐵通電關(guān)閉油路，油缸回油改經(jīng)節(jié)流閥回油箱，油缸速度減慢防止沖擊，達(dá)到緩沖目的。這種回路也適用于擺動(dòng)缸。也可以在油路中設(shè)置單向行程節(jié)流閥進(jìn)行緩沖，有可靠、定位程度高的優(yōu)點(diǎn)。但不如上述方案的自動(dòng)化程度高和通用性好。圖4-3緩沖回路4．1．3系統(tǒng)安全可靠性手辟升降缸在系統(tǒng)失壓情況下會(huì)自由下落，應(yīng)在回路中增加平衡回路，方法可用單向順序閥或平衡閥。手臂伸縮缸若有俯仰狀態(tài)時(shí)，*應(yīng)同樣考慮。夾緊缸在夾持工件時(shí)，為了防止失電等意外情況，應(yīng)加鎖緊保壓回路。為防止夾緊缸壓力過高，導(dǎo)致夾緊力過大損壞工件，可用減壓回路保證夾緊缸的壓力一定。4．1．4液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖4-3和4-4所示：本次設(shè)計(jì)所采用液壓系統(tǒng)的具體布置如下：換向回路夾緊缸采用三位三通閥，其他缸采用三位四通換向閥。這樣便于微機(jī)控制。調(diào)建方案由于本系統(tǒng)功率較小，故選簡(jiǎn)單的進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速，并且選用單泵供油，以獲得較好的經(jīng)濟(jì)性。緩沖回路選擇4。1。2中提到的第3點(diǎn)方案，便于微機(jī)控制，提高自動(dòng)化程度。系統(tǒng)的安全可靠性為了防止伸縮缸在仰起一定角度后自由下落，采用單向順序閥平衡。圖4-4液壓