畢業(yè)設(shè)計---通用液壓機械手設(shè)計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本次設(shè)計的多功能機械手為液壓通用機械手，主要由手爪、手腕、手臂、機身、機座等組成，具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作。本機械手機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，其坐標(biāo)形式為圓柱坐標(biāo)式，具有立柱旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、腕部轉(zhuǎn)動和腕部擺動等4個自由度；驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，利用油缸、齒輪、齒條

2、實現(xiàn)直線運動；利用油缸與齒輪、齒條或鏈條實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小，出力大，動作平緩，并能在中間位置停止。本次設(shè)計的機械手能對不同物體完成多種動作。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 機械手；圓柱坐標(biāo)；液壓驅(qū)動 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design of multi-

3、manipulator hydraulic manipulator general, mainly by the gripper, wrist, arm, body, base etc., with the material, flip, and a variety of functions such as translocation, in accordance with the unified automated productio

4、n line beat and production program have done so. This machine adopts the base-type mobile phone, automatic wire around the base layout, its coordinates in the form of cylindrical coordinate type, with column rotation, ar

5、m stretching, wrist rotation and wrist s</p><p>　　Keywords: mechanical hand; cylindrical coordinate; fluid power drive</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</

6、b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 機械手的基本概念1</p><p>　　1.2 機械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用1&

7、lt;/p><p>　　1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.2 應(yīng)用3</p><p>　　第2章 方案的確定7</p><p>　　2.1 直角坐標(biāo)型機械手8</p><p>　　2.2 圓柱坐標(biāo)式機械手9</p><p>　　2.3 球坐標(biāo)式機械手9</

8、p><p>　　2.4 關(guān)節(jié)式機械手10</p><p>　　第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計11</p><p>　　3.1 設(shè)計的原始參數(shù)11</p><p>　　3.2 夾持式手部結(jié)構(gòu)11</p><p>　　3.2.1 手指的形狀和分類11</p><p>　　3.2.2 設(shè)計時考慮的

9、幾個問題12</p><p>　　3.2.3 手部夾緊油缸的設(shè)計13</p><p>　　第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計17</p><p>　　4.1 手腕的自由度17</p><p>　　4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算18</p><p>　　4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩18</p>&

10、lt;p>　　4.2.2 手腕回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動力矩計算21</p><p>　　4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核22</p><p>　　第5章 手臂工作油缸的設(shè)計與計算27</p><p>　　5.1 手臂伸縮油缸的設(shè)計與校核27</p><p>　　5.1.2 尺寸校核27</p><p>

11、　　5.1.3 導(dǎo)向裝置33</p><p>　　5.1.4 平衡裝置33</p><p>　　5.2 手臂升降油缸的設(shè)計與校核33</p><p>　　5.2.1 尺寸設(shè)計33</p><p>　　5.2.2 尺寸校核33</p><p>　　5.3 手臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計與校核34</p>

12、;<p>　　5.3.1 尺寸設(shè)計35</p><p>　　5.3.2 尺寸校核35</p><p>　　第6章 其它零部件的選擇設(shè)計38</p><p>　　6.1 油缸的密封38</p><p>　　6.1.1 活塞式油缸的泄漏與密封38</p><p>　　6.1.2 回轉(zhuǎn)油缸的泄漏與

13、密封42</p><p>　　6.2 控制調(diào)節(jié)閥的選擇44</p><p>　　6.3 輔助裝置的選擇44</p><p>　　6.4 液壓傳動機械手的緩沖與定位45</p><p><b>　　結(jié)論47</b></p><p><b>　　致謝48</b>

14、</p><p><b>　　參考文獻49</b></p><p><b>　　CONTENTS</b></p><p>　　AbstractI</p><p>　　Chapter 1 Introduction1</p><p>　　1.1 The basic con

15、cept of a robot1</p><p>　　1.2 Manipulator Development and Application1</p><p>　　1.2.1 Development Status1</p><p>　　1.2.2 Application3</p><p>　　Chapter 2 program t

16、o determine7</p><p>　　2.1 Cartesian coordinate type robot8</p><p>　　2.2 Cylindrical coordinate manipulator9</p><p>　　2.3 Spherical manipulator9</p><p>　　2.4 Joi

17、nt Manipulator10</p><p>　　Chapter 3 Design of hand11</p><p>　　3.1 The original design parameters11</p><p>　　3.2 Clamp-type structure of the hand11</p><p>　　3.2.1

18、Finger shape and classification11</p><p>　　3.2.2 Some consideration for the design problem12</p><p>　　3.2.3 Hand clamping cylinder design13</p><p>　　Chapter 4 Structural Design o

19、f the wrist17</p><p>　　4.1 degrees of freedom wrist17</p><p>　　4.2 Calculation of torque of the wrist18</p><p>　　4.2.1 Wrist rotation torque required18</p><p>　　

20、4.2.2 Wrist rotation torque of cylinder calculation21</p><p>　　4.2.3 Wrist rotation cylinder and check the size of22</p><p>　　Chapter 5 Arm cylinder design and calculation work27</p>

21、<p>　　5.1 Telescopic arm design and checking the size of fuel tanks27</p><p>　　5.1.2 Size Check27</p><p>　　5.1.3 Oriented devices33</p><p>　　5.1.4 Balance device33<

22、/p><p>　　5.2 Arm lift cylinder design and checking the size of33</p><p>　　5.2.1 Dimension Design33</p><p>　　5.2.2 Size Check33</p><p>　　5.3 Rotary arm design and ch

23、ecking the size of fuel tanks34</p><p>　　5.3.1 Dimension Design35</p><p>　　5.3.2 Size Check35</p><p>　　Chapter 6 Other parts of the selection of design38</p><p>　

24、　6.1 Cylinder seal38</p><p>　　6.1.1 Piston cylinder leak in the seal38</p><p>　　6.1.2 Rotating cylinder leakage and seal42</p><p>　　6.2 Control Valve Selection44</p>

25、<p>　　6.3 The choice of auxiliary devices44</p><p>　　6.4 Hydraulic manipulator and positioning cushion45</p><p>　　Conclusion47</p><p>　　Express thanks48</p><p&

26、gt;　　References49</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 機械手的基本概念</p><p>　　液壓通用機械手，就其本質(zhì)上來說，屬于工業(yè)機器人的范疇，機器人學(xué)是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學(xué)科。它集中了機械工程、電子工程、計算機科學(xué)、自動控制以及人工智能等多種學(xué)科的最新研究成果，

27、體現(xiàn)了光機電一體化技術(shù)的最新成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術(shù)發(fā)展的重要課題。</p><p>　　“機械手”（Machanical Hand）：多數(shù)指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內(nèi)一般稱作機械手或?qū)Ｓ脵C械手）。如自動線、自動機的上下料，加工中心的自動換到的自動化裝置。</p><p>　　1.2 機械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用</p&g

28、t;<p>　　機械手的迅速發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識；其一、它能部分代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時間和位置來完成工作的傳送和裝卸；其三，它能操作必要的機具進行焊接和裝配。從而大大的改善工人的勞動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。因而，受到各先進工業(yè)國家的重視，投入大量的人工物力加以研究和應(yīng)用。尤其在高溫、高壓、粉壓、噪音以及帶有放射性的污染的場

29、合，應(yīng)用得更為廣泛。在我國，近幾年來也有較快的發(fā)展，并取得一定的效果，受到機械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視[1]。</p><p>　　1.2.1 發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入了以通用機械手為標(biāo)志的時代。通用機械手可以應(yīng)用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設(shè)計的成本。由于通用機械手的發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。通用機械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一

30、般的機械、液壓、氣動等基礎(chǔ)知識，而且還應(yīng)用了一些電子技術(shù)、電視技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學(xué)等，因此它是一項綜合性較強的技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一技術(shù)都很重視。幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設(shè)計在不斷的修改，品種在不斷的增加，應(yīng)用領(lǐng)域在不斷的擴大。雖然在這方面相對于發(fā)達國家還有點落后，但是國內(nèi)現(xiàn)在也越來越感覺到機械手的重要性，國家大力支持相關(guān)的設(shè)計及產(chǎn)品的開發(fā)。在機器人的發(fā)展以及機械手的設(shè)計上也取得了一定的成

31、果，國內(nèi)每年都將舉行機器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作。</p><p>　　目前國內(nèi)外的發(fā)展趨勢是：</p><p>　　1．研制有更多自由度的液壓機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。</p><p>　　2．研制帶有行走機構(gòu)的機械手，這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。</p><p>　　3．

32、研制維修維護方便的通用機械手。</p><p>　　4．研制能自動編制和自動改變程序的通用機械手。</p><p>　　5．研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手。這種機械手具有各種傳感裝置，并配有計算機。根據(jù)仿生學(xué)的理論，用計算機充當(dāng)其大腦，使它進行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進行應(yīng)答，用熱電偶和電阻應(yīng)變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構(gòu)腳來實現(xiàn)自動

33、移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊</p><p>　　語言對其下達命令，布置任務(wù)，使自動化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。</p><p>　　6．機械手的外觀達到美觀的要求，盡量用最簡單的結(jié)構(gòu)和設(shè)備能完成更加多的動作。</p><p>　　7．研制具有柔性系統(tǒng)的通用機械手</p><p>　　目前，在國外廣泛應(yīng)用的再現(xiàn)式通用機械手，雖然一般也都

34、有記憶裝置，但其程序都是預(yù)先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動一次，而后機械手可以按領(lǐng)動的工作內(nèi)容正確進行再現(xiàn)動作。如果把這種再現(xiàn)式通用機械手稱為第二代機械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機械手正在朝著一種可以存儲大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機械手具有比原來的更多的自由度?，F(xiàn)在國內(nèi)具有越來越強的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來，我國一定能夠趕上并將且超越發(fā)達國家在機械手乃至整個機械方

35、面處于領(lǐng)先地位。</p><p><b>　　機械手的研究意義</b></p><p>　　隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手的應(yīng)用也越來越廣泛。在機械工業(yè)中，大量應(yīng)用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機械加工以及裝配等工種。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工種中也均有應(yīng)用[2]。</p><p>　　在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：&

36、lt;/p><p>　　1.可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度。</p><p>　　應(yīng)用機械手有利于在自動生產(chǎn)線中實現(xiàn)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程度，從而提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。</p><p>　　2.可以改善勞動條件，避免人身事故。</p><p>　　在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質(zhì)的環(huán)

37、境場合，用人手直接操作是很危險的甚至是不可能的。而應(yīng)用機械手即可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。</p><p>　　3.可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。</p><p>　　應(yīng)用機械手代替人手進行作業(yè)，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一方面。因此，在自動化機床和綜合加工自動線上，目前幾乎都設(shè)有機械手，以減少人力和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)

38、的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。</p><p>　　4.用液壓系統(tǒng)來控制機械手，比一般的機械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確度更高。</p><p>　　5.運用機械手可以實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)，而大大提高在生產(chǎn)線的工作的時間，從而能大幅提高勞動的生產(chǎn)率。</p><p><b>　　1.2.2 應(yīng)用</b></p><p>　

39、　機械手一半分為三類。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(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定操作。它的特點是具備普通機械的物理性之外，還具備使用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工操作的，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械手來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是專用機械手，主要附屬于自動機床或自

40、動線上，用以解決機床上下料和工件傳送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)外，工作程序 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[3]。</p><p>　　機械手首先是從美國開始研制的。1985年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂。端部裝有電磁鐵的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。1962年，美國聯(lián)合控

41、制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作存貯裝置。不少球坐標(biāo)式通用機械手都是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。</p><p>　　日本式工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進二種典型機械手后，大力從事機械手的研究。據(jù)報導(dǎo)，1979年從事機械手的研究工作的大專院校、研究單位達5

42、0多個。1976年各大學(xué)和國家研究部門用在機械手的研究經(jīng)費約占總研究費用的42%。1979年日本的機械手的產(chǎn)值達433億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機械手累計產(chǎn)量達56900臺。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

43、機械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機、電器。預(yù)計到1990年將有55萬機器人在工作。</p><p>　　目前工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠人工進行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒有識別能力；改進的方向主要是降低成本和提高精度。下面就國內(nèi)機械工業(yè)、鐵路部門應(yīng)用機械手的簡況，以及國外機械工業(yè)發(fā)展和應(yīng)用機械手的簡況，分別介紹如下。</p><p>　　1.熱加工方面的應(yīng)用</p>

44、<p>　　熱加工是高溫、危險的笨重體力勞動，很久以來就要求實現(xiàn)自動化。為了實現(xiàn)高效率和工作安全，尤其對于大件、少量、低速和人力所不能勝任的作業(yè)就更需要采用機械手操作。</p><p>　　機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)揮鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累的勞動條件。因此，國內(nèi)首先是采用鍛造操作機，裝取料機械手來代替人工操作，減輕勞動強度。后來在精鍛機上采用機械手，使精短過程自動化，代替人工喂料。&

45、lt;/p><p>　　國外對鍛造機械手的研制工作十分重視，如美國采用圓柱坐標(biāo)式機械手在1300噸鍛壓機上鍛造齒輪毛坯；瑞典采用Unimate型機械手在壓力機上鍛造曲軸；采用Versatran型機械手生產(chǎn)大型軸承環(huán)，機械手在兩臺液壓機間傳送軸承環(huán)的坯料。</p><p>　　鍛壓機械手的手指部位必須采用耐熱鋼鍛造，相當(dāng)于40CrNi2Mo的材料。同時用空氣、水噴霧冷卻。機械手外部裝有防熱護罩，

46、內(nèi)部通水冷卻。</p><p>　　機械手在鍛造、熔煉方面的應(yīng)用，國內(nèi)已研制成功壓鑄機上下料機械手，上下箱、合箱、澆注機械手，以及鑄件表面清理機械手等。有些工廠還將機械手和造型機配合組成鑄造生產(chǎn)自動線，徹底改變了鑄造生產(chǎn)的面貌。</p><p>　　國外對電爐煉鋼過程中采用機械手進行了大量的研究。由于強大電流的干擾，影響了機械手的采用，并由于熔渣和鋼水難以區(qū)別，往往在澆注過程中容易液、渣不

47、分，需研究帶有特殊傳感裝置的機械手，才能實現(xiàn)澆注的機械化和自動化。</p><p><b>　　2.冷加工方面</b></p><p>　　冷加工方面機械手主要用于柴油機配件以及軸類、盤類和箱體類零件單機加工時的上下料和刀具安裝等。進而在程序控制、數(shù)字控制等機床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動線上應(yīng)用，稱為機床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要手段。&l

48、t;/p><p>　　國內(nèi)機械工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專業(yè)上采用機械手上下料、減輕工人勞動強度。如在軸類、螺栓、氣閥和螺撐帽坐等零件的加工機床上配置了機械手，代替人工上下料。在三通閥體、軸瓦、平斜鐵、柴油機搖臂加工生產(chǎn)自動線上采用單臂、雙臂圓柱式機械手，成為聯(lián)接工序、運送工件的重要裝備。并在連桿粗加工自動線上采用數(shù)控機械手，這樣它不僅擔(dān)負(fù)自動線上機床工件的裝卸、運輸，并能發(fā)出指令指揮全線工作。</p>

49、<p>　　國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪對等大、中批量零部件。并和機床設(shè)備共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。</p><p><b>　　3.拆修裝方面</b></p><p>　　拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)房中體力勞動較多的部門之一，促進了機械手的發(fā)展。目前國內(nèi)鐵路工廠、機務(wù)段等部門。已采用機械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動缸、裝卸軸箱、組裝輪對、

50、清楚石棉等，減輕了勞動強度，提高了拆修裝的效率。采用機械手進行裝配更是目前研制的重點，國外已研究采用攝像機和力的傳感裝置和微型計算機聯(lián)接在一起，能確定零件的方位，達到鑲裝的目的。</p><p>　　綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢[4]。</p><p>　　第2章 方案的確定</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計是通用機械手，要求有較高的定位精度

51、和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種[5]：</p><p>　　表2-1 機械手結(jié)構(gòu)選型表</p><p>　　續(xù)表2-1 機械手結(jié)構(gòu)選型表</p><p>　　2.1 直角坐標(biāo)型機械手</p><p>　　直角坐標(biāo)式機械手是適用于工作位置成行排列或與傳送帶配合使用的一種機械手。它的手臂可作伸縮，左右和上下移動，按直角坐標(biāo)形式X、

52、Y、Z三個方向的直線進行運動。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1。</p><p>　　其工作范圍可以使一個直線運動；二個直線運動或三個直線運動。如在X、Y、Z三個直線運動方向上各具有A、B、C三個回轉(zhuǎn)運動，即構(gòu)成六個自由度。但在實際上式很少有的。缺點是這種機械手作業(yè)范圍較小。</p><p>　　2.2 圓柱坐標(biāo)式機械手</p><p>　　圓柱坐標(biāo)式機械手是應(yīng)用最多的一種形式

53、，它適用于搬運和測量工作。 具有直觀性好，結(jié)構(gòu)簡單，本體占用的空間小，而動作范圍較大等優(yōu)點。</p><p>　　圓柱坐標(biāo)式機械手由X、Z、φ三個運動組成。它的工作范圍可分為：一個旋轉(zhuǎn)運動，一個直線運動，加一個不在直線運動所在平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動；二個直線運動加一個旋轉(zhuǎn)運動。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1.</p><p>　　圓柱坐標(biāo)式機械手有五個基本動作：</p><p>&l

54、t;b>　　手臂水平回轉(zhuǎn)；</b></p><p><b>　　手臂伸縮；</b></p><p><b>　　手臂上下；</b></p><p><b>　　手臂回轉(zhuǎn)動作；</b></p><p><b>　　手爪夾緊動作。</b>&l

55、t;/p><p>　　圓柱坐標(biāo)式機械手的特征是在垂直導(dǎo)柱上裝有滑動套筒、手臂裝在滑動套筒上，手臂可作上下直線運動（Z）和在水平面內(nèi)做圓弧狀的左右擺動（φ）。</p><p>　　據(jù)國外140中機械手的統(tǒng)計，圓柱坐標(biāo)式機械手就有86種，其中76中式具有X、Z、φ三個運動，而具有六個自由度的機械手僅有六種。</p><p>　　本次設(shè)計方向與該類型機械手特點相符。</

56、p><p>　　2.3 球坐標(biāo)式機械手</p><p>　　球坐標(biāo)式機械手是一種自由度較多，用途較廣的機械手。它是由X、θ、φ三個方向的運動組成。結(jié)構(gòu)簡圖見表2-1。球坐標(biāo)式機械手的工作范圍包括：一個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動；二個旋轉(zhuǎn)運動加一個直線運動。</p><p>　　球坐標(biāo)式機械手可實現(xiàn)以下八個動作：</p><p>　　1．手臂上下動作

57、，即俯仰動作；</p><p>　　2．手臂左右動作，即回轉(zhuǎn)動作；</p><p>　　3．手臂前后動作，即伸縮動作；</p><p><b>　　4．手腕上下彎曲；</b></p><p><b>　　5．手腕左右擺動；</b></p><p><b>　　6．手

58、腕旋轉(zhuǎn)運動；</b></p><p><b>　　7．手爪夾緊動作；</b></p><p>　　8．機械手整體移動。</p><p>　　球坐標(biāo)式機械手的特征是將手臂裝在樞軸上，樞軸又裝在叉形架上，能在垂直面內(nèi)做圓弧狀上下俯仰運動，它的臂可作伸縮，橫向水平擺動，工作范圍和人手的動作類似。它的特點是能自動選擇最合理的動作路線。所以工

59、效高。另外由于上下擺動，它的相對體積小，二動作范圍大。</p><p>　　2.4 關(guān)節(jié)式機械手</p><p>　　關(guān)節(jié)式機械手是一種適用于靠近機體操作的傳動型式。它像人手一樣有肘關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)多個自由度，動作比較靈活，適于在狹窄空間工作。關(guān)節(jié)式機械手，早在四十年代就在原子能工業(yè)中得到應(yīng)用，隨后在開發(fā)海洋中應(yīng)用，有一定的發(fā)展前途。</p><p>　　關(guān)節(jié)式機械手

60、有大臂和小臂的擺動，以及肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的運動。關(guān)節(jié)式機械手具有上肢結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)近似于人手操作的機能。為具有近似人手操作的機能，需要研制最合適的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　關(guān)節(jié)式機械手的傳動機構(gòu)采用齒輪、齒條式和擺動式，傳動機構(gòu)采用哪一種型式，主要根據(jù)工件的輕重來決定。</p><p>　　本次設(shè)計的目標(biāo)是4自由度體型小的通用液壓機械手，上述4種類型機械手中圓柱坐標(biāo)機械手體型合適，機構(gòu)適宜，

61、能夠達到設(shè)計要求且結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，所以選擇圓柱坐標(biāo)式機械手。</p><p>　　第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設(shè)計成可更換結(jié)構(gòu)，當(dāng)工件是棒料時，使用夾持式手部。如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)或電磁式吸盤結(jié)構(gòu)。手爪是機械手直接用下抓取和握緊(或吸附)工件夾持專用工具(如噴槍。扳子、焊接工具)進行損作的部件。它具有模仿人手動作的

62、功能，，并安裝于機械手手臂的前端[6]。</p><p>　　3.1 設(shè)計的原始參數(shù)</p><p>　　本次設(shè)計的機械手為4自由度機械手，能夠?qū)崿F(xiàn)大臂的升降和旋轉(zhuǎn)，小臂的伸縮和旋轉(zhuǎn)動作。主要設(shè)計參數(shù)如下：</p><p>　　1．手臂力至少達90N</p><p><b>　　2．自由度數(shù) 4</b></p

63、><p>　　3、手臂伸縮速度750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回轉(zhuǎn)速度110º／s，手腕回轉(zhuǎn)速度360º/s</p><p>　　4、手臂伸縮行程范圍0~500mm，手臂升降行程范圍最大0～200mm，手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0º~220º。</p><p>　　5、驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動</p><

64、p>　　3.2 夾持式手部結(jié)構(gòu)</p><p>　　夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。</p><p>　　3.2.1 手指的形狀和分類</p><p>　　夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾

65、式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型。回轉(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件[7]。</

66、p><p>　　3.2.2 設(shè)計時考慮的幾個問題</p><p>　　1．具有足夠的握力(即夾緊力)</p><p>　　在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。</p><p>　　2.手指間應(yīng)具有一定的開閉角</p><p>　　兩手指張開與閉

67、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(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)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。</p><p>　　3.保證工件準(zhǔn)確定位</p><p>　　為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，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，以便自動定心。</p>&

68、lt;p>　　4.具有足夠的強度和剛度</p><p>　　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(chǎn)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，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。</p><p>　　5.應(yīng)考慮被抓取對象的要求</p><p>　　(1)抓取

69、形狀 手指形狀應(yīng)根據(jù)工件形狀而設(shè)計。如工件為圓柱形．則采用“V”形手指；圓球狀工件用圓弧形三指手指，方料用平面形手指，細(xì)絲工件用尖指勾形或細(xì)齒鉗爪手指?？傊畱?yīng)根據(jù)工件形狀來選定手指形狀。</p><p>　　(2)抓取部位 抓取部位的尺寸盡可能是不變的．若加工后尺寸有變化，手指應(yīng)能適應(yīng)尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對于工件表面質(zhì)量要求高的，抓取時盡量避開高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)墊片(如橡皮．抱沫塑

70、料．石棉襯墊等)，以防夾持時損壞工件。</p><p>　　(3)抓取數(shù)量 若用一對手指抓取多個工件，為了不發(fā)生個別工件的松動或脫落現(xiàn)象，在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫、塑料等 ，對于較長工件可采用雙指或多指抓取。</p><p>　　6.應(yīng)考慮手指的多用性</p><p>　　手指是專用性較強的部件，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可制成組合

71、式的手指，對于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，更換迅速和準(zhǔn)確，以便擴大機械手的使用范圍[8]。</p><p>　　3.2.3 手部夾緊油缸的設(shè)計</p><p><b>　　1、手部驅(qū)動力計算</b></p><p>　　本課題液壓機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，</p><p>　　1-夾持器 2-齒條活塞桿 3

72、-小齒輪 4-銷 5-套筒 6-銷軸 7-壓力彈簧 8-法蘭</p><p>　　圖3-1齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1．根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式[9]:</p><p>　　式中：-為夾持工件的握力，</p><p>　　-為工件重量，N，要求抓取重量為</p><p>　　-為手指夾角

73、的1/2,角度,V形手指的角度</p><p><b>　　—為摩擦系數(shù) 取</b></p><p><b>　　代入式中</b></p><p>　　2．根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的示意圖3-1，其驅(qū)動力為:</p><p>　　式中：—為理論驅(qū)動力，</p><p>　　—為夾持物體中

74、心到銷軸的中心距，</p><p>　　—銷軸到小齒輪的中心距 </p><p><b>　　代入式中</b></p><p><b>　　3．實際驅(qū)動力:</b></p><p>　　式中—為實際驅(qū)動力, </p><p>　　—為工作效率因為傳動機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取&

75、lt;/p><p>　　—為安全系數(shù) 通常取1.2~2 這里取</p><p>　　—為工作情況系數(shù) 若被抓取工件的最大加速度取時，則: </p><p><b>　　所以 </b></p><p>　　夾持工件時所需夾緊液壓缸的驅(qū)動力為。</p><p>　　手指夾緊工件時，彈簧變形所產(chǎn)生的彈簧力（

76、選擇彈簧型號為GB1239-89）</p><p>　　式中 —為彈簧變形所產(chǎn)生的彈力</p><p>　　—為手指夾緊工件時彈簧的變形量，，</p><p>　　—彈簧材料的切變模量 </p><p>　　—為使手指松開的復(fù)位彈簧絲直徑</p><p>　　—為彈簧的旋繞比（又稱為彈簧指數(shù) ）</p>

77、<p>　　—為彈簧的有效圈數(shù)； </p><p>　　3、求夾緊缸的工作壓力</p><p>　　作用在夾緊缸活塞上的機械載荷P為：</p><p>　　式中 —為夾緊活塞上的機械載荷,</p><p><b>　　—為實際驅(qū)動力,N</b></p><p>　　—為彈簧變形所產(chǎn)生的彈

78、簧力,N</p><p>　　—為密封處的工作壓力 由于密封裝置的摩擦阻力較工作阻力（）小，故按照經(jīng)驗取，取</p><p><b>　　計算得</b></p><p>　　因作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與機械載荷p相平衡，故夾緊缸的工作壓力p為：</p><p>　　式中D—為夾緊缸直徑，從結(jié)構(gòu)設(shè)計得知，所以<

79、;/p><p>　　第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計</p><p>　　考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設(shè)有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設(shè)計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸。</p><p>　　4.1 手腕的自由度 </p><p>　　手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方

80、位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。如圖4—1所示的手腕運動有繞X軸轉(zhuǎn)動稱回轉(zhuǎn)運動，繞y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動(或俯仰)，繞Z軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動，沿y軸方向的橫向移動(或沿Z軸方向縱向移動)。因此手腕最多具有四個獨立運動即四個自由度[10]。</p><p>　　圖4-1 手腕運動示意圖</p><p>　　手腕自由度的選用與機械手的通用性，加工工藝要求，工件放置方位

81、和定位精度等許多因素有關(guān)，一般手腕沒有回轉(zhuǎn)運動或再增一個上下擺動即可滿足工作的要求，也有的專用機械手沒有手腕的運動，若有特殊要求的可增加手腕左右擺動或沿y軸方向的橫向移動。</p><p>　　手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多

82、的為回轉(zhuǎn)油缸，我們選用的是回轉(zhuǎn)油缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，并且要求嚴(yán)格的密封。</p><p>　　4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算</p><p>　　4.2.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩</p><p>　　手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，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，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

83、裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩[11].圖4-2所示為手腕受力的示意圖。</p><p>　　1.工件2.手部3.手腕</p><p>　　圖4-2手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)圖</p><p>　　手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:</p><p>　　式中:- 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩，</p>

84、<p><b>　　- 慣性力矩，</b></p><p>　　- 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩，</p><p>　　- 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，</p><p>　　下面以圖4-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:</p>

85、;<p>　　1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩</p><p>　　若手腕起動過程按等加速運動，則:</p><p>　　式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量，</p><p>　　- 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量，。</p><p>　　—手腕轉(zhuǎn)動時的角速度，弧度</p><p>　　—起

86、動過程所用的時間，</p><p>　　若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為:</p><p>　　式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量，；</p><p><b>　　- 工件的重量，</b></p><p>　　- 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距, </p><p>　　- 手腕轉(zhuǎn)動時的角

87、速度，弧度/s；</p><p>　　- 起動過程所需的時間，</p><p>　　— 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度，弧度</p><p>　　2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏</p><p><b>　　，</b></p><p>　　式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量，；</p

88、><p>　　- 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距，</p><p>　　當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則。</p><p>　　3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 </p><p><b>　　，</b></p><p>　　式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，</p><p&

89、gt;　　- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承；</p><p>　　,- 處的支承反力，N，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，</p><p><b>　　根據(jù),得:</b></p><p><b>　　同理，根據(jù),得:</b></p><p>　　式中:- 手部的重量，</p>&

90、lt;p>　　- 如圖4-2所示的長度尺寸，</p><p>　　4.2.2 手腕回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動力矩計算</p><p>　　在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)油缸，它的原理如圖4-3所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把油腔分隔成兩個.當(dāng)壓縮油從孔a進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)[12]

91、。單葉片回轉(zhuǎn)油缸的壓力P和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為:</p><p>　　, 或 （4-1）</p><p>　　1-定片 2-缸體 3-動片 4-動片風(fēng)圈 5-回轉(zhuǎn)軸 a-進油口 b-出油口</p><p>　　圖4-3 回轉(zhuǎn)油缸簡圖</p><p>　　4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核</p><p&g

92、t;<b>　　1.尺寸設(shè)計</b></p><p>　　設(shè)計油缸內(nèi)徑為,半徑,軸徑,半徑,油缸運行角速度，加速度時間，回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力為，動片寬度為。</p><p>　　由公式（4-1）計算力矩：</p><p><b>　　力矩</b></p><p><b>　　2.尺寸校核&l

93、t;/b></p><p>　　1．測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：</p><p>　　工件的質(zhì)量為,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距</p><p><b>　　，其轉(zhuǎn)動

94、慣量為:</b></p><p><b>　　則： </b></p><p>　　2．手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心與轉(zhuǎn)動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則</p><p>　　式中：—為手腕回轉(zhuǎn)部件的重量，</p><p><b>　　—

95、為工件的重量，</b></p><p>　　3．手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為</p><p>　　由于是液壓傳動，潤滑比較好，根據(jù)經(jīng)驗得知摩擦力矩很小，故忽略不計。</p><p>　　4．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩</p><p>　　式中—為回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩

96、，</p><p>　　—為輸出軸與缸蓋密封裝置處的摩擦阻力矩，</p><p>　　式中—輸出軸與缸蓋密封處直徑，</p><p>　　—密封的有效長度（或密封寬度）, </p><p>　　—“O”形密封圈的截面直徑；</p><p>　　—“O”形圈在裝配時的壓縮率，對于回轉(zhuǎn)運動，,取</p>&l

97、t;p><b>　　—摩擦系數(shù)，</b></p><p>　　—回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力,</p><p>　　則： </p><p>　　—為動片側(cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩，</p><p>　　—動片外徑與油缸密封裝置處的摩擦阻力矩，</p><p>　　—動片側(cè)面與缸

98、蓋密封處的摩擦阻力矩</p><p>　　其中： </p><p><b>　　— 回轉(zhuǎn)油缸直徑</b></p><p>　　— 回轉(zhuǎn)油缸與動片連接處直徑</p><p><b>　　由設(shè)計得：</b></p><p><b>　　則&l

99、t;/b></p><p>　?。簞悠鈴脚c油缸密封裝置處的摩擦阻力矩</p><p>　　其中為動片的寬度，，，，和同上述。</p><p>　　則： </p><p>　　5、回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背壓反力矩</p><p>　　其中為回油腔的油液壓力，在這里初步估算為</p><

100、;p><b>　　則： </b></p><p>　　則手腕回轉(zhuǎn)油缸所需的驅(qū)動力矩為：</p><p>　　所以設(shè)計尺寸符合使用要求，安全。</p><p>　　第5章 手臂工作油缸的設(shè)計與計算</p><p>　　5.1 手臂伸縮油缸的設(shè)計與校核</p><p>　　手臂的伸縮動作由伸

101、縮油缸帶動，需要計算油缸的驅(qū)動力。所謂油缸的驅(qū)動力是指油缸的高壓油腔的壓力油所產(chǎn)生的合成液壓力。在機械手工作時，各油缸的驅(qū)動力要分別克服作用在各自油缸活塞上的總機械載荷，以保證機械手正常運動[13]。</p><p>　　手臂伸縮油缸運行長度設(shè)計為,油缸內(nèi)徑為，半徑。</p><p>　　5.1.2 尺寸校核</p><p>　　1、設(shè)計油缸運行長度設(shè)計為,油缸內(nèi)

102、徑為,半徑, 活塞運行速度為，加速度時間，進油壓力為。</p><p>　　當(dāng)壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度而運動是所需輸入油缸的流量為：</p><p>　　式中： — 油缸（或活塞）直徑， </p><p>　　— 輸入無桿腔的流量，</p><p>　　— 活塞的移動速度， </p><p><b>　

103、　流量為：</b></p><p>　　油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力即油缸的驅(qū)動力為：</p><p>　　式中： — 進油壓力，</p><p><b>　　— 油缸驅(qū)動力，</b></p><p>　　當(dāng)壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度而運動是所需輸入油缸的流量為：</p>

104、<p>　　式中：— 活塞桿直徑（mm） </p><p>　　— 輸入無桿腔的流量，</p><p>　　— 活塞的移動速度，，</p><p><b>　　則流量為：</b></p><p>　　油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力即油缸的驅(qū)動力為：</p><p>　　

105、2、計算作用在活塞上的總機械載荷</p><p>　　機械手手臂移動油缸的受力簡圖如圖5-1所示。作用在活塞上的總機械載荷P為：</p><p>　　圖5-1 手臂伸縮油缸受力簡圖</p><p>　　1.工作阻力：工作阻力的數(shù)值要根據(jù)油缸工作的具體情況確定有無，并進行計算或估算。</p><p>　　在此為完成搬運工件的伸縮油缸，故不受

106、工作阻力，即為0。</p><p>　　2.導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力：不同配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進行估算。</p><p>　　本設(shè)計如圖5-1所示的是雙向桿導(dǎo)機構(gòu)，其導(dǎo)向桿截面形狀是圓柱面。導(dǎo)向桿對稱配置在油缸的兩側(cè)，并布置在過油缸活塞桿的平面內(nèi)。</p><p>　　圖5-1所示的油缸在啟動時，導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力較大，估計如下：&

107、lt;/p><p>　　由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均勻，可按一只導(dǎo)向桿估算，忽略導(dǎo)向桿直徑的影響，根據(jù)它手里的平衡條件推得：</p><p>　　式中 — 參與運動的零部件的總重量，（包括被抓物件重量）估算為</p><p>　　— 手臂縮回時參與運動的零部件的總重量的重心C到導(dǎo)向支承前端的距離 </p><p>　　— 導(dǎo)向支承的長度，

108、 </p><p>　　— 摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時，鋼對鋼的取</p><p>　　— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)，對于圓柱面 ，取</p><p>　　則： </p><p>　　3.密封裝置處的摩擦阻力</p><p>　　在壓力油驅(qū)動活塞運動時，各密封裝置處摩擦阻力之和為，即

109、</p><p>　　分別為活塞桿和缸蓋處、活塞與缸壁處、伸縮油管處等密封裝置處的摩擦阻力，其值隨密封圈結(jié)構(gòu)的不同而異。</p><p>　　當(dāng)油缸的工作壓力不大于時，活塞桿直徑為油缸直徑的一半，活塞和活塞桿處走采用O型密封圈時，油缸密封處的總摩擦力為：</p><p>　　伸縮油管處的摩擦阻力為：</p><p>　　式中 —密封圈與配

110、合面的摩擦系數(shù)，主要與密封圈形式、材料與配合接觸的零件材料和油液壓力有關(guān)。</p><p>　　對于O型橡膠密封圈，當(dāng)油液壓力時，。油液壓力高時取小值，壓力低時取大值，在本次設(shè)計中取。</p><p>　　—密封處的工作壓力，，</p><p><b>　　—伸縮油管直徑，，</b></p><p><b>　

111、　—密封的有效長度，</b></p><p>　　密封的有效長度l近似估算為：</p><p>　　式中：—為壓縮率 一般為，在這里取</p><p>　　—為O型密封圈截面直徑， 對應(yīng)圖帶入</p><p>　　則： </p><p><b>　　4.慣性力&

112、lt;/b></p><p>　　機械手的手臂在起動時，活塞桿上所受到的平均慣性力，可近似計算如下：</p><p>　　式中： — 參與運動的零部件的總重量，（包括被抓物件重量）</p><p>　　g — 重力加速度， </p><p>　　— 速度變化量， ，</p><p>　　— 啟動過程的時間

113、， </p><p>　　則： </p><p><b>　　5.背壓阻力</b></p><p>　　背壓阻力為油缸低壓油液所造成的阻力。一般被壓阻力較小，可按計算。</p><p><b>　　由于，故。</b></p><p><b>　　所以：

114、 </b></p><p>　　因為：，故該油缸的尺寸符合使用要求。</p><p>　　5.1.3 導(dǎo)向裝置</p><p>　　液壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(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作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體

115、重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。目前導(dǎo)向桿常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計中采用雙向?qū)驐U來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性[16]。</p><p>　　5.1.4 平衡裝置</p><p>　　在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮油缸一側(cè)加裝平衡裝置，

116、裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和油缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。</p><p>　　5.2 手臂升降油缸的設(shè)計與校核</p><p>　　5.2.1 尺寸設(shè)計</p><p>　　油缸運行長度設(shè)計為,油缸運行速度為，加速度時間,油缸內(nèi)徑為,半徑,進油壓力為，做升降運動的總重量。</p><p>　

117、　5.2.2 尺寸校核</p><p><b>　　驅(qū)動力為：</b></p><p><b>　　由經(jīng)驗公式可得：</b></p><p><b>　　故：</b></p><p>　　作用在活塞上的推力：</p><p>　　因為，所以伸縮油缸的尺寸

118、符合要求。</p><p>　　5.3 手臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計與校核</p><p>　　采用回轉(zhuǎn)油缸實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運動時，其受力情況可簡化成如圖5-2所示。</p><p>　　圖5-2 手臂回轉(zhuǎn)運動時的運動狀態(tài)圖</p><p>　　5.3.1 尺寸設(shè)計</p><p>　　油缸內(nèi)徑為,半徑,軸徑半徑,油缸運行角速度

119、，加速度時間，進油壓力</p><p>　　5.3.2 尺寸校核</p><p>　　驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩，應(yīng)該與手臂起動時所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平街。若軸承處摩擦力矩忽略不計，則可按下式計算：</p><p>　　式中 — 密封裝置處的摩擦阻力矩，回轉(zhuǎn)缸密封裝置處的摩擦阻力矩應(yīng)包括回轉(zhuǎn)缸動片圓柱面與缸徑和動片端面與缸蓋之間的摩擦阻力矩，如圖

120、5-2中b所示，因此，摩擦阻力矩可按下式計算：</p><p>　　其中： </p><p>　　式中各尺寸符號如圖5-2所示，單位為厘米，其為密封圈與缸徑裝配后接觸面的有效寬度。</p><p><b>　　由設(shè)計估算：</b></p><p>　　— 慣性力矩，手臂在起動過程的慣性力矩可按下式計算：&