搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)與控制電路設(shè)計(jì)帶CAD圖
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搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制電路設(shè)計(jì)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
題 目： 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)與控制電路設(shè)計(jì)
（英文）： Design of Manipulator Mechanism and
Control Circuit
院 別： 機(jī)電學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械電子工程
姓 名：
學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)教師：
日 期：
搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制電路設(shè)計(jì)
摘要
機(jī)械手是一種能自動(dòng)控制并可從新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，他有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境中的工作。機(jī)械手能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用于按固定程序抓取、搬運(yùn)物體或操作工具的自動(dòng)操作裝置。它可以代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化和機(jī)械化，能在有害環(huán)境下操作以保證人的安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。在工業(yè)部門中應(yīng)用的機(jī)械手稱為工業(yè)機(jī)械手。
工業(yè)機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)，是近幾十年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。它的特點(diǎn)是可以通過(guò)編程來(lái)完成各種預(yù)期的作業(yè)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機(jī)器各自的優(yōu)點(diǎn)，尤其體現(xiàn)在人的智能和適應(yīng)性。機(jī)械手作業(yè)的準(zhǔn)確性和環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展空間。
設(shè)計(jì)包含了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制電路設(shè)計(jì)，其中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這方面包含了機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)、腕部結(jié)構(gòu)、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及機(jī)身的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在控制電路設(shè)計(jì)這方面包含了液壓驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)、器件的選擇設(shè)計(jì)、PLC可編程自動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)《搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)與控制電路設(shè)計(jì)》非常適合作為機(jī)械電子工程這門專業(yè)大學(xué)四年的一個(gè)總結(jié)。因?yàn)槠渲邪藱C(jī)械設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)，是機(jī)械與電子的結(jié)合體，能充分體現(xiàn)這門專業(yè)的內(nèi)涵。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手；手部；腕部；臂部；機(jī)身；液壓；電路
Design of Manipulator Mechanism and Control Circuit
ABSTRACT
Manipulator is a kind of automatic control and from the new process to change the multi-function machine, he has multiple degrees of freedom, can carry objects to complete the work in different environments. Mechanical hand can imitate hand and arm function for some action, according to a fixed program to crawl, moving objects or to operate the automatic tool operation device. It can replace people arduous labor to realize production automation and mechanization, can operate under the hostile environment to guarantee the security of the person, and so it is widely used in machinery manufacturing, metallurgy, electron, light industry and atomic energy industries. In the industrial sector in the application of the mechanical hand is called the industrial manipulator.
Industrial machinery hand is the modern automatic control in the field of a new technology developed in recent years, is a high-tech automated production equipment. Involves mechanics, mechanical, electrical and hydraulic technology, the automatic control technology, sensor technology and computer technology and other fields of science, is an interdisciplinary comprehensive technology. It is characterized by a variety of programming to complete the expected operation, in the structure and performance of both people and machines to their respective advantages, especially in human intelligence and adaptability. Mechanical hand operating accuracy and environment to complete operations capability, in the national economy has a broad development space.
This design includes the structure of the manipulator design and the control circuit, wherein the structure design that incorporates a mechanical hand, wrist, arm structure structure structure design and the overall structure of the design. Early control circuit design which contains a hydraulic drive control design, choice of sensors design, PLC programmable automatic control circuit design. This graduation design" handling manipulator mechanism and control circuit design" is suitable for the mechanical electronic engineering this specialized university four years in a summary. Because of which includes the mechanical design and circuit design, mechanical and electronic integration, can fully reflect the professional connotation.
Key words: mechanical hand; hand; wrist; arm; the fuselage; hydraulic circuit
目錄
第一章 緒論 1
1.1機(jī)械手的研究概況 1
1.2機(jī)械手發(fā)展方向 1
1.3工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用 2
1.4本設(shè)計(jì)中研究的主要內(nèi)容 3
第二章 搬運(yùn)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 4
2.1機(jī)械手的組成 4
2.2機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)的選擇 4
2.3機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu) 4
2.4機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 4
2.5機(jī)械手的控制方式選擇 5
2.6機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表 5
第三章 搬運(yùn)機(jī)械手手臂各部件的設(shè)計(jì) 6
3.1機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算 6
3.1.1手部設(shè)計(jì)基本要求 6
3.1.2 手部機(jī)構(gòu)的選擇 6
3.1.3手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算 6
3.2腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 17
3.2.1腕部設(shè)計(jì)基本要求 17
3.2.2 腕部機(jī)構(gòu)的選擇 17
3.2.3腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.3臂部的設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.3.1臂部設(shè)計(jì)基本要求 24
3.3.2 臂部機(jī)構(gòu)方案的選擇 25
3.3.3臂部的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
第四章 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 40
4.1機(jī)身的總體設(shè)計(jì) 40
4.2機(jī)身的升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 41
4.2.1手臂偏重力矩的計(jì)算 41
4.2.2升降導(dǎo)向立柱不自鎖條件分析計(jì)算 42
4.2.3機(jī)身升降液壓缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 43
4.2.4手臂升降液壓缸參數(shù)計(jì)算 44
4.3機(jī)身的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 49
4.3.1機(jī)身回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 49
4.3.2機(jī)身回轉(zhuǎn)液壓缸主要參數(shù) 51
4.3.4機(jī)身回轉(zhuǎn)液壓缸螺釘?shù)挠?jì)算 52
4.3.5動(dòng)片與輸出軸間的連接螺釘計(jì)算 53
4.3.6機(jī)身回轉(zhuǎn)液壓缸筒的壁厚校核 54
4.4聯(lián)接板的設(shè)計(jì) 55
4.4.1聯(lián)接板的介紹及作用 55
第五章 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制電路的設(shè)計(jì) 57
5.1驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 57
5.2驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 57
5.3驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 58
5.3.1分功能設(shè)計(jì)分析 58
5.3.2液壓泵的確定與所需功率計(jì)算 59
5.4控制電路設(shè)計(jì) 66
參考文獻(xiàn) 67
致謝 68
附錄A 69
第一章 緒論
1.1機(jī)械手的研究概況
機(jī)械手是一種模擬人手操作的自動(dòng)機(jī)械?？砂慈藗兯O(shè)計(jì)的固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操持工具完成某些特定操作。在工業(yè)生產(chǎn)生活中應(yīng)用機(jī)械手可以代替人從事單調(diào)、重復(fù)或繁重的體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，代替人在有害環(huán)境下的手工操作，改善勞動(dòng)條件，保證人身安全，更能提高生產(chǎn)效率，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。
機(jī)械手主要由手部和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。手部是用來(lái)抓持工件（或工具）的部件，根據(jù)被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結(jié)構(gòu)形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動(dòng)（擺動(dòng)）、移動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，改變被抓持物件的位置和姿勢(shì)。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨(dú)立運(yùn)動(dòng)方式，稱為機(jī)械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有 6個(gè)自由度 。自由度是機(jī)械手設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù) 。自由 度越多，機(jī)械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機(jī)械手有2～3個(gè)自由度。
機(jī)械手的種類，按驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。
機(jī)械手通常用作機(jī)床或其他機(jī)器的附加裝置，如在自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒(méi)有獨(dú)立的控制裝置。有些操作裝置需要由人直接操縱，如用于原子能部門操持危險(xiǎn)物品的主從式操作手也常稱為機(jī)械手。
1.2機(jī)械手發(fā)展方向
現(xiàn)階段關(guān)于機(jī)械手的研究發(fā)展方向大體主要往重復(fù)高精度、模塊化、機(jī)電一體化等方向上升級(jí)。
（1）重復(fù)高精度
精度是指機(jī)器人、機(jī)械手到達(dá)指定點(diǎn)的精確程度, 它與驅(qū)動(dòng)器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次, 機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要, 如果一個(gè)機(jī)器人定位不夠精確, 通常會(huì)顯示一個(gè)固定的誤差, 這個(gè)誤差是可以預(yù)測(cè)的, 因此可以通過(guò)編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個(gè)隨機(jī)誤差的范圍, 它通過(guò)一定次數(shù)地重復(fù)運(yùn)行機(jī)器人來(lái)測(cè)定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展,機(jī)械手的重復(fù)精度將越來(lái)越高, 它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊, 如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
（2）模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù), 而把模塊化拼裝的機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機(jī)械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置, 使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能, 擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍, 是機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向。
（3）機(jī)電一體化
由“可編程序控制器- 傳感器- 液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動(dòng)化技術(shù)的重要方面，發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件, 使液壓技術(shù)從“開(kāi)關(guān)控制”進(jìn)入到高精度的“反饋控制”，省配線的復(fù)合集成系統(tǒng), 不僅減少配線、配管和元件, 而且拆裝簡(jiǎn)單, 大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今, 電磁閥的線圈功率越來(lái)越小, 而PLC的輸出功率在增大, 由PLC直接控制線圈變得越來(lái)越可能。
1.3工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用
國(guó)內(nèi)外機(jī)械工業(yè)中機(jī)械手主要應(yīng)用于以下幾方面：
（1）熱加工方面的應(yīng)用。
熱加工是高溫、危險(xiǎn)的笨重體力勞動(dòng)，很久以來(lái)就要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。為了提高工作效率，和確保工人的人身安全，尤其對(duì)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(jī)械手操作
（2）冷加工方面的應(yīng)用。
冷加工方面機(jī)械手主要用于柴油機(jī)配件以及軸類、盤類和箱體類等零件單機(jī)加工時(shí)的上下料和刀具安裝等。進(jìn)而在程序控制、數(shù)字控制等機(jī)床上應(yīng)用，成為設(shè)備的一個(gè)組成部分。最近更在加工生產(chǎn)線、自動(dòng)線上應(yīng)用，成為機(jī)床、設(shè)備上下工序聯(lián)接的重要于段。
（3）拆修裝方面的應(yīng)用。
拆修裝是鐵路工業(yè)系統(tǒng)繁重體力勞動(dòng)較多的部門之一，促進(jìn)了機(jī)械手的發(fā)展。目前國(guó)內(nèi)鐵路工廠、機(jī)務(wù)段等部門，已采用機(jī)械手拆裝三通閥、鉤舌、分解制動(dòng)缸、裝卸軸箱、組裝輪對(duì)、清除石棉等，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了拆修裝的效率。近年還研制了一種客車車內(nèi)噴漆通用機(jī)械手，可用以對(duì)客車內(nèi)部進(jìn)行連續(xù)噴漆，以改善勞動(dòng)條件，提高噴漆的質(zhì)量和效率。
1.4本設(shè)計(jì)中研究的主要內(nèi)容
本畢業(yè)設(shè)計(jì)《搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與電路控制設(shè)計(jì)》主要研究包括機(jī)械手機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：機(jī)械手搬運(yùn)最大物重：30Kg，直徑為：以下尺寸的圓形棒料。物品移動(dòng)范圍為半徑為1.2m的扇形區(qū)域，高度變化范圍為：1.5m ，要求設(shè)計(jì)壽命10年。完成機(jī)體和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，并完成指定零件的零件圖設(shè)計(jì)。進(jìn)行必要零部件的受力分析與強(qiáng)度驗(yàn)算；繪制總裝圖和相關(guān)零件圖。必要時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)力分析。在以上給定參數(shù)條件下，設(shè)計(jì)出應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)元件最多，體積最小、機(jī)構(gòu)最為合理、強(qiáng)度足夠，基本能交付工程實(shí)際的設(shè)計(jì)資料。
第二章 搬運(yùn)機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案
2.1機(jī)械手的組成
機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及控制機(jī)構(gòu)三大部分組成。
2.2機(jī)械手基本結(jié)構(gòu)的選擇
機(jī)械手按其基本結(jié)構(gòu)可分為：直角坐標(biāo)式、圓柱坐標(biāo)式、球坐標(biāo)式、關(guān)節(jié)坐標(biāo)式、平面坐標(biāo)式、柔軟臂式、冗余自由度式、模塊式等多種結(jié)構(gòu)。由于本設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)械手大多用于生產(chǎn)線上物料的上下搬運(yùn)，所以所要求的自由度不高，只有機(jī)身的上下運(yùn)動(dòng)，手臂的伸縮及平面轉(zhuǎn)動(dòng)，腕部的翻轉(zhuǎn)。結(jié)合上面多種結(jié)構(gòu)，本設(shè)計(jì)將采用圓柱坐標(biāo)式結(jié)構(gòu)。圓柱坐標(biāo)型機(jī)械手結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位精度較高，占地面積小等特點(diǎn)。
2.3機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)
機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要包括以下幾部分：
（1）末端操作（執(zhí)行）器：又稱手部，是在手腕上配置的操作機(jī)構(gòu)，有時(shí)也稱手抓。是操作機(jī)直接執(zhí)行工作的裝置，并可設(shè)置夾持器、工具、傳感器等，是工業(yè)機(jī)器人直接與工作對(duì)象接觸以完成作業(yè)的機(jī)構(gòu)。
（2）手腕：是支乘和調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的部件，連接手部與臂部的部分。主要用來(lái)確定和改變末端執(zhí)行器的方向；改變產(chǎn)品的空間方向；將作業(yè)載荷傳遞到手臂；擴(kuò)大手臂的移動(dòng)范圍。
（3）手臂：是連接機(jī)身與手腕的部分，用于支乘和調(diào)整手腕與末端執(zhí)行器位置的部件，由操作機(jī)的動(dòng)力關(guān)節(jié)與連接桿件等構(gòu)成。主要作用是改變手部的空間位置，滿足機(jī)器手的作業(yè)空間，并將各種載荷傳遞到機(jī)座。
（4）機(jī)身：也稱機(jī)座，是工業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中相對(duì)固定并承受相應(yīng)的力的基礎(chǔ)部件，起支乘作用。分為移動(dòng)式與固定式兩類，對(duì)固定機(jī)器人，直接連接在地面基礎(chǔ)上；對(duì)移動(dòng)式機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上，可以擴(kuò)大機(jī)器人的活動(dòng)范圍。
2.4機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)
根據(jù)機(jī)械手驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力源不同，工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)大致可分為液壓、氣壓、電動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)等四類。四種驅(qū)動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，由于液壓驅(qū)動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，所以在本設(shè)計(jì)中將采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。
2.5機(jī)械手的控制方式選擇
機(jī)械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達(dá)位置、動(dòng)作時(shí)間和加速度等?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)動(dòng)作的要求，設(shè)計(jì)采用PLC動(dòng)作順序控制。它首先要編制程序加以存儲(chǔ)，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機(jī)械手進(jìn)行工作。
2.6機(jī)械手的技術(shù)參數(shù)列表
最大抓去物重：30Kg
自由度數(shù)：4個(gè)自由度（手抓張合、手部回轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂回轉(zhuǎn)、手臂升降）
坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)式
抓取物料最大直徑：以下尺寸的圓形棒料
物品移動(dòng)范圍：半徑為R0.5m的扇形區(qū)域
高度變化范圍：0.5m
使用壽命：10年
第三章 搬運(yùn)機(jī)械手手臂各部件的設(shè)計(jì)
3.1機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1.1手部設(shè)計(jì)基本要求
（1） 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。考慮到在一定的夾緊力下，不同的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所需的驅(qū)動(dòng)力大小是不同的。
（2） 應(yīng)考慮到手抓抓取物料時(shí)是否會(huì)損壞物料便面精度或使物料發(fā)生變形。
（3） 手指應(yīng)具有一定的張開(kāi)范圍，手指應(yīng)該具有足夠的開(kāi)閉角度（手指從張開(kāi)到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度），以便于抓取工件。
（4） 要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。
（5） 應(yīng)保證手抓的夾持精度。
3.1.2 手部機(jī)構(gòu)的選擇
手部結(jié)構(gòu)根據(jù)手抓開(kāi)合的動(dòng)作特點(diǎn)分為回轉(zhuǎn)型和移動(dòng)型兩類。其中回轉(zhuǎn)型又分為一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)和多支點(diǎn)回轉(zhuǎn)；根據(jù)手抓夾緊是擺動(dòng)還是平動(dòng)，又分為擺動(dòng)回轉(zhuǎn)型和平動(dòng)回轉(zhuǎn)型。
夾鉗式手部中較多的是回轉(zhuǎn)型手部，一般有單作用斜楔式回轉(zhuǎn)型手部、滑槽式杠桿回轉(zhuǎn)型手部、雙支點(diǎn)連杠杠桿手部、齒條齒輪杠桿式手部等。
平移型夾鉗式手部大致可分為直線往復(fù)移動(dòng)機(jī)構(gòu)和平面平行移動(dòng)機(jī)構(gòu)兩種類型。但由于平移型夾鉗式手部是通過(guò)手指的指面作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)或平面移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)張開(kāi)或閉合動(dòng)作，常用于夾持具有平行平面的工件（如箱體），其結(jié)構(gòu)叫復(fù)雜，不如回轉(zhuǎn)型手部應(yīng)用廣泛。
綜上其述本設(shè)計(jì)中將采用最結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最常用的滑槽式杠桿會(huì)裝型手部機(jī)構(gòu)。
3.1.3手抓的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1.3.1手抓結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析
下面對(duì)其基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析：滑槽杠桿受力圖如下
圖3.1 滑槽杠桿時(shí)手部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖、受力分析
圖中在杠桿的作用下，銷軸向上的拉力為F，并通過(guò)銷軸中心點(diǎn)O點(diǎn)，兩手指的滑槽對(duì)銷軸的反作用為和，其力的方向沿滑槽的中心線和并指向O點(diǎn)。
則可得：
（3.1）
得
（3.2）
（3.3）
得
（3.4）
（3.5）
（3.6）
得
（3.7）
（3.8）
所以手抓的驅(qū)動(dòng)力：
（3.9）
式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心的距離（mm）
——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角
由分析可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力一定時(shí)，角增大，則握力也隨之增大，但角過(guò)大會(huì)導(dǎo)致拉桿行程過(guò)大，以及手部結(jié)構(gòu)增大，因此最好=，本設(shè)計(jì)中將設(shè)。
這種手部的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈活，手指開(kāi)閉角度打等特點(diǎn)。
3.1.3.2夾緊力與驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
鉗抓式手部夾緊力的計(jì)算必須根據(jù)手指和工件的形狀、手指夾持工件時(shí)不同的方位進(jìn)行具體分析，由《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表2——1所列出的不同形狀的手指與工件在不同方位夾持式的夾緊力計(jì)算公式：
圖3.2 夾緊力計(jì)算公式
由于本設(shè)計(jì)中時(shí)采用手指水平位置移動(dòng)夾緊，工件水平放置，手指形狀為V型指型夾持圓形棒料的形式，常用的V型塊角有和兩種，本設(shè)計(jì)中選取V型塊角。由上表可知：
（3.10）
式中G為所夾持工件的重量
（3.11）
即：
（3.12）
驅(qū)動(dòng)力：
（3.13）
為了考慮工件在傳送過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及船里機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力：
（3.14）
式中 ——手部的機(jī)械效率，一般?。?.85～0.95） =0.9
——安全系數(shù)，一般為（1.2～2） =1.5
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可近似按以下估計(jì)，
，其中為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度，
為重力加速度（）
為運(yùn)載工件的最大速度，設(shè)
為系統(tǒng)達(dá)到的最高響應(yīng)時(shí)間，一般?。?.03s～0.5s），設(shè)
即
（3.15）
由于手指長(zhǎng)b與手指寬a尚未確定，無(wú)法確定驅(qū)動(dòng)力大小，又由于b與a關(guān)系到手指的夾持精度，所以需先進(jìn)行夾持定位精度分析。
3.1.3.3機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算
機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決與機(jī)械手定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件確定），而且也與手指的夾持誤差大小有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免產(chǎn)生手指夾持的定位誤差，需要注意選用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)。
如下圖所示：
圖3.3 手抓夾持精度圖
鉗口與鉗爪的連接點(diǎn)E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對(duì)稱中心O到工件中心O′的距離為x,則
x= （3.16）
當(dāng)工件直徑變化時(shí),x的變化量即為夾持精度（定位誤差）△,設(shè)工件半徑R由變化到時(shí),其最大定位誤差為
△=∣-∣ （3.17）
其中本設(shè)計(jì)中所要求的是夾持以下的圓形棒料，由于夾持精度△<1mm，所需要夾持的工件最大半徑
所以假設(shè)，，，
代入公式計(jì)算得最大定位誤差： △=∣79.158-80∣=0.842＜1
故符合要求。
3.1.3.4手抓夾持范圍計(jì)算及滑槽長(zhǎng)度
為保證手抓張開(kāi)角時(shí)有足夠的寬度加持工件，張開(kāi)角不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，則選手抓張開(kāi)角為，由上可知手指長(zhǎng)，手指寬，如下圖所示，當(dāng)手抓沒(méi)有張開(kāi)角的時(shí)候，它所夾持的為最小半徑。
圖3.4 手抓夾持最小半徑
當(dāng)手抓張開(kāi)角為時(shí)，手抓將抓取工件的最大半徑才符合要求。如下圖所示：
圖3.5 手抓夾持最大半徑
則最大夾持半徑：
（3.18）
符合要求。
滑槽杠桿中的滑槽長(zhǎng)度由圖中可知從點(diǎn)1運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)2的距離為：
（3.19）
即驅(qū)動(dòng)杠與兩手指杠桿所連接的圓柱銷在長(zhǎng)滑槽中的移動(dòng)距離 所以取
3.1.3.5手抓液壓缸的確定
現(xiàn)已知，，可求出驅(qū)動(dòng)杠的驅(qū)動(dòng)力F：
（3.20）
則實(shí)際驅(qū)動(dòng)力為：
（3.21）
由下表可知：
表3.1 液壓缸負(fù)載與工作壓力之間的關(guān)系
負(fù)載F/N
<5000
500010000
1000020000
2000030000
3000050000
>50000
缸工作壓力P/MPa
<0.81
1.52
2.53
34
45
由驅(qū)動(dòng)力 ，所以選擇液壓缸的工作壓力 。
設(shè)液壓缸的直徑D，活塞桿的直徑，則有
（3.22）
所以帶入數(shù)據(jù)可求得：
（3.23）
由下表可知：
表3.2 液壓缸內(nèi)徑D系列（GB/T2348-1993）
8
10
12
16
20
25
32
40
50
63
80
100
125
160
200
250
320
400
—
—
這里選擇液壓缸直徑為：
表3.3 活塞杠直徑d系列（GB/T2348-1993）
4
5
6
8
10
12
14
16
18
20
22
25
28
32
36
40
45
50
56
63
70
80
90
100
110
125
140
160
180
200
220
250
280
320
360
—
—
—
—
—
由，符合要求。
活塞桿長(zhǎng)度：
（3.24）
缸筒壁厚：當(dāng)時(shí)，為薄壁
（3.25）
當(dāng) 時(shí) ，為厚壁
（3.26）
式中D——缸筒直徑
——缸筒試驗(yàn)應(yīng)力，當(dāng)缸的額定壓力 時(shí)取，所以
——缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料的抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般取n=5,缸筒材料選用35號(hào)鋼，其抗拉強(qiáng)度查表得，。
將數(shù)據(jù)代入公式得缸筒壁厚：
（3.27）
（3.28）
所以取缸筒壁厚，為厚壁。
活塞寬度：
（3.29）
3.1.3.6液壓缸的缸體長(zhǎng)度確定
液壓缸缸體內(nèi)部長(zhǎng)度等于活塞的行程與活塞的寬度之和，缸體外形長(zhǎng)度還要考慮到兩端蓋間的厚度，一般液壓缸缸體長(zhǎng)度不應(yīng)大于內(nèi)徑的2030倍。
本設(shè)計(jì)中活塞桿的行程為 ，活塞寬度為 ，所以缸體內(nèi)部長(zhǎng)度為：
（3.30）
3.1.3.7液壓缸的活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu)
本設(shè)計(jì)中由于液壓缸內(nèi)徑較小，行程也小，所以采用整體式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用于缸徑較小的液壓缸。
3.1.3.8液壓缸端蓋的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）端蓋螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)計(jì)算
表3.4 螺釘間距t與壓力P之間的關(guān)系
工作壓力
螺釘?shù)拈g距
0.5:1.5
小于150
1.5:2.5
小于120
2.5:5.0
小于100
2.0:10.0
小于80
液壓缸端蓋上每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)截面上所承受的拉力為：
（3.31）
即工作拉力與參與預(yù)緊力之和。
計(jì)算如下：
液壓缸工作壓強(qiáng)為,所以螺釘間距小于,試選擇4個(gè)螺釘，
（3.32）
所以選擇螺釘數(shù)目合適個(gè)
受力截面：
（3.33）
所以
（3.34）
，此處連接要求有密封性，故?。?.5-1.8），取。
（3.35）
所以
（3.36）
螺釘材料選擇Q235。
則
（3.37）
安全系數(shù)n取1.5（1.2-2.5）。
螺釘?shù)闹睆接上率降贸?
（3.38）
F為總拉力即 ，代入數(shù)據(jù)得：
（3.39）
螺釘?shù)闹睆竭x擇取標(biāo)準(zhǔn)。
即選用六角頭螺栓（GB/T5783-2000）M5 。
（2）端蓋厚度的確定
由于該液壓缸前端蓋通有活塞桿，即為有孔端蓋，所以端蓋厚度為：
（3.40）
式中 D——端蓋止口內(nèi)徑（）
d——端蓋孔的內(nèi)徑（）
，
代入數(shù)據(jù)得：
（3.41）
取
3.1.3.9液壓缸密封裝置的選擇
端蓋內(nèi)孔壁選用O型橡膠密封圈規(guī)格（GB3452.1-2005），材料為丁腈橡膠，規(guī)格為。
活塞壁選用O型橡膠密封圈規(guī)格（GB3452.1-2005），材料為丁腈，規(guī)格為。
3.2腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.1腕部設(shè)計(jì)基本要求
手腕部件設(shè)置在手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，并使機(jī)械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕部件具有獨(dú)立的自由度，此設(shè)計(jì)中要求有繞中軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
（1）力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕
腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局
腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動(dòng)的要求外，要有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。
（3）必須考慮工作條件
對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒(méi)有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對(duì)機(jī)械手的腕部沒(méi)有太多不利因素。
3.2.2 腕部機(jī)構(gòu)的選擇
腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)線上搬運(yùn)工件需要給予工件翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以選用一個(gè)回轉(zhuǎn)缸以實(shí)現(xiàn)工件的回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)的角度可用液壓的流量來(lái)控制也可用機(jī)械擋塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。
3.2.3腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.2.3.1腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算
腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服的阻力由：
（1）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩：
（3.42）
式中 ，—軸承處支反力（N） ,—軸承的直徑（m）；
—軸承的摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承；對(duì)于滑動(dòng)軸承
為簡(jiǎn)化計(jì)算取
（3.43）
（2）克服啟動(dòng)慣性所需的力矩
啟動(dòng)過(guò)程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度及啟動(dòng)過(guò)程轉(zhuǎn)過(guò)的角度按下式計(jì)算：
（3.44）
式中 —工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
—手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
—手腕回轉(zhuǎn)過(guò)程的角速度；
—啟動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間，一般取0.05-0.3s,此處取0.1s 。
假設(shè)手抓、手抓驅(qū)動(dòng)液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動(dòng)件等效為一個(gè)圓柱體，高為300mm，直徑140mm，其重力估算：
（3.45）
等效圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
（3.46）
工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，已知圓柱體工件，，
求得：
（3.47）
（3.48）
設(shè)工件在0.5s內(nèi)旋轉(zhuǎn), 取平均角速度，即，
代入得：
（3.49）
由
（3.50）
解可得：
（3.51）
3.2.3.2回轉(zhuǎn)液壓缸的驅(qū)動(dòng)力矩及內(nèi)徑的計(jì)算
回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩
如下圖回轉(zhuǎn)缸簡(jiǎn)圖所示：
圖3.6 手腕回轉(zhuǎn)缸簡(jiǎn)圖
作用在動(dòng)片上的合成液壓力矩即驅(qū)動(dòng)力矩為：
（3.52）
（3.53）
式中 ——手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的總阻力矩
——回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力
——缸體內(nèi)孔半徑
——回轉(zhuǎn)軸的半徑 ，設(shè)計(jì)時(shí)按
——?jiǎng)悠瑢挾?
為了減少動(dòng)片與輸出軸的連接螺釘所受的載荷及動(dòng)片的懸伸長(zhǎng)度，選擇動(dòng)片寬度時(shí)應(yīng)選用：
（3.54）
綜上考慮：回轉(zhuǎn)缸將以手抓整個(gè)驅(qū)動(dòng)缸作為回轉(zhuǎn)軸，靜片與回轉(zhuǎn)缸壁相連固定，動(dòng)片與液壓驅(qū)動(dòng)缸壁相連，帶動(dòng)整個(gè)缸體作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)前面的計(jì)算公式試估計(jì)各尺寸可得：
， ， ，
3.2.3.3液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算
液壓缸端蓋上每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)截面上所承受的拉力為：
（3.55）
即工作拉力與參與預(yù)緊力之和。
計(jì)算如下：液壓缸工作壓強(qiáng)為,所以螺釘間距小于,試選擇6個(gè)螺釘，
（3.56）
所以選擇螺釘數(shù)目合適個(gè)
受力截面：
（3.57）
所以
（3.58）
，此處連接要求有密封性，故?。?.5-1.8），取。
（3.59）
所以
（3.60）
螺釘材料選擇Q235，
則，安全系數(shù)n取1.5（1.2-2.5）
螺釘?shù)闹睆接上率降贸?
（3.61）
F為總拉力即
（3.62）
螺釘?shù)闹睆竭x擇取標(biāo)準(zhǔn)。
3.2.3.4動(dòng)片與輸出軸間的連接螺釘計(jì)算
動(dòng)片和輸出軸之間的連接螺釘一般為偶數(shù)，輸出軸即為手抓液壓驅(qū)動(dòng)缸的缸體。螺釘由于油液沖擊產(chǎn)生橫向載荷，由于預(yù)緊力的作用，將在接合面處產(chǎn)生摩擦力以抵抗工作載荷，預(yù)緊力的大小，以接合面不產(chǎn)生滑移的條件確定，故有以下等式：
（3.63）
為預(yù)緊力,為接合面摩擦系數(shù)，?。?.10-0.16）范圍的0.15，即鋼和鑄鐵零件，為接合面數(shù)，取，Z為螺釘數(shù)目，取，D為靜片的外徑，d為輸出軸直徑，則可得：
（3.64）
螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為：
（3.65）
帶入有關(guān)數(shù)據(jù)，得：
（3.66）
螺釘材料選擇Q235，則（安全系數(shù)）
代入數(shù)據(jù)得螺釘?shù)闹睆綖椋?
（3.67）
取，螺釘選擇M5的開(kāi)槽盤頭螺釘。
3.2.3.5腕部軸承的選擇
由于該設(shè)計(jì)中手腕回轉(zhuǎn)缸帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)缸回轉(zhuǎn)只受徑向力作用，所以選用徑向接觸軸承。
腕部材料選擇HT200（HT200特性及適用范圍：為珠光體類型的灰鑄鐵。其強(qiáng)度、耐磨性、耐熱性均較好，減振性也良好，鑄造性能較好，但脆性較大，需進(jìn)行人工時(shí)效處理。大量用于不受沖擊載荷的零部件，如承受壓力的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、離合器殼及制動(dòng)鼓等。也用于中等壓力的油缸、泵體、閥體以及經(jīng)表面淬火的零件。）
估計(jì)軸承所受徑向載荷為500N,軸向載荷較小可忽略。兩處均選用深溝球軸承?，F(xiàn)校核較小軸徑處軸承。
6005軸承基本數(shù)據(jù)如下：，當(dāng)量動(dòng)載荷，徑向系數(shù)取1，，則，由公式：
（3.68）
N為轉(zhuǎn)速，由0.5s完成回轉(zhuǎn)，計(jì)算得：，，球軸承
代入得：
（3.69）
遠(yuǎn)大于軸承使用壽命。
選用軸承為深溝球軸承6005，6013。
3.2.3.6材料及連接件，密封件的選擇
端蓋內(nèi)孔壁選用O型橡膠密封圈規(guī)格（GB3452.1-2005），材料為丁腈，規(guī)格為。
活塞壁選用O型橡膠密封圈規(guī)格（GB3452.1-2005），材料為丁腈，規(guī)格為。
3.3臂部的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1臂部設(shè)計(jì)基本要求
設(shè)計(jì)機(jī)械手伸縮臂，底板固定在大臂上，前端法蘭安裝機(jī)械手，完成直線伸縮動(dòng)作。
（1）功能性的要求
機(jī)械手伸縮臂安裝在升降大臂上，前端安裝夾持器，按控制系統(tǒng)的指令，完成工件的自動(dòng)換位工作。伸縮要平穩(wěn)靈活，動(dòng)作快捷，定位準(zhǔn)確，工作協(xié)調(diào)。
（2）適應(yīng)性的要求
為便于調(diào)整，適應(yīng)工件大小不同的要求，起止位置要方便調(diào)整，要求設(shè)置可調(diào)式定位機(jī)構(gòu)。為了控制慣性力，減少運(yùn)動(dòng)沖擊，動(dòng)力的大小要能與負(fù)載大小相適應(yīng)，如步進(jìn)電機(jī)通過(guò)程序設(shè)計(jì)改變運(yùn)動(dòng)速度，力矩電機(jī)通過(guò)調(diào)整工作電壓，改變堵力矩的大小，達(dá)到工作平穩(wěn)、動(dòng)作快捷、定位準(zhǔn)確的要求。
（3）可靠性的要求
可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下，在預(yù)定使用壽命期內(nèi)能完成規(guī)定功能的概率。
工業(yè)機(jī)械手可自動(dòng)完成預(yù)定工作，廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，因此要求機(jī)械手工作必須可靠。設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行可靠性分析。
（4）壽命的要求
產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時(shí)因磨損而使性能下降在允許范圍內(nèi)而且無(wú)需大修的連續(xù)工作期限。設(shè)計(jì)中要考慮采取減少摩擦和磨損的措施，如：選擇耐磨材料、采取潤(rùn)滑措施、合理設(shè)計(jì)零件的形面等。因各零部件難以設(shè)計(jì)成相等壽命，所以易磨損的零件要便于更換。
（5）經(jīng)濟(jì)的要求
機(jī)械產(chǎn)品設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性包括設(shè)計(jì)制造的經(jīng)濟(jì)性和使用的經(jīng)濟(jì)性。機(jī)械產(chǎn)品的制造成本構(gòu)成中材料費(fèi)、加工費(fèi)占有很大的比重，設(shè)計(jì)時(shí)必須給予充分注意。將機(jī)械設(shè)計(jì)課程中學(xué)到的基本設(shè)計(jì)思想貫穿到設(shè)計(jì)中。
（6）人機(jī)工程學(xué)的要求
人機(jī)工程學(xué)也稱為技術(shù)美學(xué)，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力有效，照明適度，顯示清晰，造型美觀，色彩和諧，維護(hù)保養(yǎng)容易等。本設(shè)計(jì)中要充分考慮外形設(shè)計(jì)，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)要方便人體接近，方便工具的使用。
（7）安全保護(hù)和自動(dòng)報(bào)警的要求
按規(guī)范要求，采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設(shè)計(jì)都必須考慮的，是必不可少的。在程序設(shè)計(jì)中要考慮因故障造成的突然工作中斷，如機(jī)構(gòu)卡死、工件不到位、突然斷電等情況，要設(shè)置報(bào)警裝置。
設(shè)計(jì)參數(shù)
（1）伸縮長(zhǎng)度：500mm；
（2）單方向伸縮時(shí)間：6～10s；
（3）定位誤差：要有定位措施，定位誤差小于2mm；
（4）前端安裝機(jī)械手，伸縮終點(diǎn)無(wú)剛性沖擊；
3.3.2 臂部機(jī)構(gòu)方案的選擇
液壓驅(qū)動(dòng)方案
（1）伸縮原理
為使手臂受力均衡，本設(shè)計(jì)中采用雙導(dǎo)向桿雙作用液壓油缸，它可以配置在手臂伸縮的油缸兩側(cè)，并兼作手部油路的管道，外形比較整齊；對(duì)于伸縮行程大的手臂，為防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。手臂伸出時(shí)采用單向調(diào)速閥進(jìn)行回油節(jié)流調(diào)速，接近終點(diǎn)時(shí)，發(fā)出信號(hào)，進(jìn)行調(diào)速緩沖（也可采用緩沖油缸），靠油缸行程極限定位，采用導(dǎo)向桿導(dǎo)向防止轉(zhuǎn)動(dòng)，采用電液換向閥，控制伸縮方向。
圖3.7 手臂雙向?qū)驐U伸縮圖
（2）液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要滿足伸縮臂動(dòng)作邏輯要求，液壓缸及其控制元件的選擇要滿足伸縮臂動(dòng)力要求和運(yùn)動(dòng)時(shí)間要求，由于伸縮臂做間歇式往復(fù)運(yùn)動(dòng)，有較大的沖擊，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮緩沖措施，可從液壓回路設(shè)計(jì)上考慮，也可從液壓件結(jié)構(gòu)上考慮。
設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)及要求：
① 電磁閥流量：要滿足伸縮速度的要求。
② 油缸直徑：推力大小要能克服機(jī)構(gòu)起動(dòng)慣性并有一定的起動(dòng)加速度，要滿足運(yùn)動(dòng)時(shí)間要求。
③ 導(dǎo)向桿剛度：按最長(zhǎng)伸出時(shí)機(jī)械手端部的撓度不超過(guò)規(guī)定要求。
④ 定位方式和元件：自選。
（3）結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)及強(qiáng)度和剛度計(jì)算
結(jié)構(gòu)方案：
a：支座安裝在機(jī)器人床身上，用于安裝伸縮臂油缸和導(dǎo)向桿等零部件。
b：法蘭用于安裝機(jī)械手，其形式和尺寸要與機(jī)械手相協(xié)調(diào)。
c：液壓缸伸出桿帶動(dòng)導(dǎo)向桿同時(shí)伸出500mm，伸出長(zhǎng)度較大，設(shè)計(jì)、制造和安裝時(shí)要考慮液壓缸與導(dǎo)向桿的平行度要求。
d：導(dǎo)向桿可采用直線導(dǎo)軌或直線導(dǎo)軸。
② 強(qiáng)度及剛度計(jì)算
本機(jī)械手夾持工件重量約30Kg左右，夾持器夾著工件，伸縮臂全部伸出，是導(dǎo)桿受力最大的狀態(tài),也是變形最大的位置。
3.3.3臂部的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.3.1工作負(fù)載R和工作壓力P
液壓缸的工作負(fù)載R是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下，以一定加速度起動(dòng)時(shí)對(duì)液壓缸產(chǎn)生的總阻力，可如下計(jì)算：
（3.70）
式中：——工作機(jī)構(gòu)的工作阻力及自重對(duì)液壓缸產(chǎn)生的作用力；
——工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)載起動(dòng)時(shí)的靜摩擦力對(duì)液壓缸產(chǎn)生的作用力；
——工作機(jī)構(gòu)滿負(fù)載起動(dòng)時(shí)的慣性力對(duì)液壓缸產(chǎn)生的作用力。
由前面公式計(jì)算所得的總阻力即為液壓缸的最大工作負(fù)載
（1）的確定
1、工件的質(zhì)量（已知）
2、夾持器的質(zhì)量 15kg(估計(jì))
3、伸縮臂的質(zhì)量 50kg(估計(jì))
4、其它零部件的質(zhì)量 10kg（估計(jì)）
工作機(jī)構(gòu)荷重：
（3.71）
（2）的確定
（3.72）
（3） 的確定
（3.73）
式中假設(shè)為起動(dòng)時(shí)間，其加速時(shí)間約為0.1～0.5s ， ,
總負(fù)載
（3.74）
取實(shí)際負(fù)載為
液壓缸的工作壓力是指作用在活塞上克服最大工作負(fù)載所需的液體壓力。工作壓力可根據(jù)前面計(jì)算的最大工作負(fù)載參考表3.1來(lái)選取。
式中： ,可取0.8～1, 即
3.3.3.2工作速度和速比的確定
液壓缸的速比，通常是對(duì)雙作用活塞桿式液壓缸而言的，它與液壓缸的鋼桶內(nèi)勁和活塞桿直徑有關(guān)，速比一般不宜過(guò)大，否則無(wú)桿腔回液流速過(guò)高而形成很大的背壓，但也不宜過(guò)小，否則活塞桿直徑相對(duì)于鋼筒內(nèi)徑太細(xì)，穩(wěn)定性差。速比可按下表選取，工作壓力高的液壓缸選用較大值（活塞桿較粗），工作壓力低的則選較小值。
表3.5 液壓缸的速比
工作壓力/MPa
12.5～20
>20
速比
1.33
1.46 ；2
2
由上表可得本設(shè)計(jì)中的速比為：
3.3.3.3液壓缸缸筒內(nèi)徑D和活塞桿直徑d的確定
a、液壓缸缸筒內(nèi)徑D可按下式計(jì)算得：
（3.75）
式中：，
查表3.2可取液壓缸缸筒內(nèi)徑為：
b、活塞桿直徑d可按下式計(jì)算得：
（3.76）
由表3.3可查活塞桿直徑為：
3.3.3.4最大工作行程和最小導(dǎo)向長(zhǎng)度
液壓缸的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度是指當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離，若導(dǎo)向長(zhǎng)度太小，式液壓缸因間隙引起的初始撓度增大，從而影響液壓缸的穩(wěn)定性。對(duì)于一般液壓缸的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)滿足下列要求：
（3.77）
式中L為最大工作行程
一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在缸筒D<80mm時(shí)，取缸筒內(nèi)徑D的0.6～1.0倍，活塞寬度B取缸筒內(nèi)徑D的0.6～1.0倍，為保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度而過(guò)分的增大導(dǎo)向套長(zhǎng)度和活塞寬度都是不適宜的，最好的辦法是在導(dǎo)向套與活塞之間裝一隔離套K，其長(zhǎng)度C由所需的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度決定。采用導(dǎo)向套不僅能保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度，而且還能擴(kuò)大導(dǎo)向套及活塞的通用性。如下圖所示：
圖3.8 導(dǎo)向長(zhǎng)度
導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度
（3.78）
活塞寬度
（3.79）
隔離套長(zhǎng)度
（3.80）
3.3.3.5缸筒壁厚和外徑計(jì)算
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列表選擇，為了盡可能滿足要求，由下表可選取液壓缸外徑為 ，即伸縮液壓缸的壁厚為
表3.6 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑系列表（JB1068—67）
液壓缸內(nèi)徑
40
50
63
80
90
100
110
125
140
150
160
180
200
20鋼
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
45鋼
50
60
76
95
108
121
133
168
146
180
194
219
245
計(jì)算缸筒壁厚的合成應(yīng)力和厚度時(shí)必須考慮不同的比值和材質(zhì)，采用不同的強(qiáng)度計(jì)算公式。
當(dāng)時(shí)，為薄壁
（3.81）
當(dāng) 時(shí)，為厚壁
（3.82）
式中D——缸筒直徑
——缸筒試驗(yàn)應(yīng)力，當(dāng)缸的額定壓力 時(shí)取，所以
——缸筒材料的許用應(yīng)力，，為材料的抗拉強(qiáng)度，n為安全系數(shù)，一般取n=5,缸筒材料選用35號(hào)鋼，其抗拉強(qiáng)度查表得，。
將數(shù)據(jù)代入公式得缸筒壁厚：
（3.83）
（3.84）
符合要求。所以取缸筒壁厚，為厚壁。
缸筒外徑為：
（3.85）
3.3.3.6缸底參數(shù)計(jì)算及校核
缸底材料選擇材料選用35號(hào)鋼，其抗拉強(qiáng)度查表得
（3.86）
所以缸底厚度取
3.3.3.7液壓缸穩(wěn)定性和活塞桿強(qiáng)度校核
（1） 油缸穩(wěn)定性的計(jì)算
因?yàn)橛透椎墓ぷ餍谐梯^大，則在油缸活塞桿全部伸出時(shí)，計(jì)算油缸受最大作用力壓縮時(shí)油缸的穩(wěn)定性。
假設(shè)油缸的活塞桿的推力為F，油缸穩(wěn)定的極限應(yīng)力為，則油缸穩(wěn)定性的條件為。
按下式得到：
（3.87）
式中：可先算出和的值從下表查出相對(duì)應(yīng)的值，然后再計(jì)算的值。
圖3.9 時(shí)臨界力的計(jì)算圖
（3.88）
（3.89）
式中：為活塞桿直徑 、為缸體外徑、為缸體內(nèi)徑。
其中
（3.90）
（3.91）
所以
（3.92）
取
（3.93）
圖3.10 液壓缸縱向彎曲
、為長(zhǎng)度、上的斷面慣性矩。
查 時(shí)臨界力的計(jì)算圖，可由 且 查上表得
（其中，活塞桿頭部至油缸A點(diǎn)處的距離 :缸體尾部至油缸A點(diǎn)處的距離）
所以：
（3.94）
（3.95）
即油缸的穩(wěn)定性是滿足條件。
（2）活塞桿強(qiáng)度的驗(yàn)算
因?yàn)榛钊麠U長(zhǎng) ，活塞桿直徑 ，即為細(xì)長(zhǎng)桿，其活塞桿強(qiáng)度需同時(shí)考慮壓縮和彎曲。
判別最大撓度點(diǎn)位置之值可由式計(jì)算：
式中 ——活塞桿材料的彈性模量，對(duì)于鋼材
——活塞桿截面慣性矩
所以
（3.96）
短行程液壓缸的活塞桿，在工作中主要承受軸向壓縮（或拉伸）載荷，故可近似地按中心受壓（或受拉）進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，即
（3.97）
式中 ——活塞桿外徑
——空心活塞桿內(nèi)徑，對(duì)于實(shí)心活塞桿
F——液壓缸的最大推力 （）
——活塞桿的壓（或拉）應(yīng)力
——活塞桿材料的許用應(yīng)力，，其中為材料的屈服極限，n為安全系數(shù)，通常取，活塞桿材料選用45號(hào)鋼，其屈服極限為
即
（3.98）
所以
（3.99）
滿足條件要求。
3.3.3.8連接零件的強(qiáng)度計(jì)算
首先確定油缸缸筒與缸蓋采用螺紋連接，鋼筒與缸底采用焊接方式，此種方式能夠使液壓缸緊湊牢固。
（1）缸筒與缸底焊縫的強(qiáng)度計(jì)算
對(duì)接焊縫的應(yīng)力及強(qiáng)度條件為：
（3.100）
式中 F——液壓缸的最大推力
——缸筒外徑
——焊接內(nèi)徑
——焊接效率，取
——焊接的許用應(yīng)力。，為焊條的抗拉強(qiáng)度，當(dāng)采用T422焊條時(shí)，，取安全系數(shù)
所以
（3.101）
（3.102）
其中符合條件。
（2）缸筒與缸蓋的螺紋連接強(qiáng)度計(jì)算
缸筒螺紋處的強(qiáng)度計(jì)算：
螺紋處的拉應(yīng)力：
（3.103）
螺紋處的剪應(yīng)力：
（3.104）
合成應(yīng)力及強(qiáng)度條件為：
（3.105）
式中：F——油缸的最大推力
D——缸筒內(nèi)徑
——螺紋外徑
——螺紋內(nèi)徑，當(dāng)采用普通螺紋時(shí)（GB196-63）時(shí)，可近似按下式計(jì)算，，t為螺距
K——螺紋預(yù)緊力系數(shù)，取
——螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)（），一般??；
——螺紋的許用應(yīng)力，，其中為缸筒材料的屈服極限，n為安全系數(shù)，通常取，缸筒材料選用35號(hào)鋼，其屈服極限為，則
由前面計(jì)算可得：，則查《機(jī)械零件手冊(cè)》，采用普通螺紋基本尺寸（GB/T193-2003）公稱直徑第一系列 60，可得螺距 ，
所以
（3.106）
（3.107）
（3.108）
（3.109）
因?yàn)? ，所以滿足強(qiáng)度條件。
3.3.3.9液壓油缸其它零部件的確定
（1）活塞與缸筒和活塞桿間的密封裝置
由于活塞與缸筒內(nèi)壁間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此該密封屬于動(dòng)密封，這里采用O型密封圈，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性能好，安裝空間小，拆裝方便等優(yōu)點(diǎn)。此處選用GB/T3452.3-2005標(biāo)準(zhǔn)O型圈 502.65 。
活塞與活塞桿件的密封屬于靜密封，通常是在活塞與活塞桿連接部位的配合間隙表面之間采用O型圈密封，密封槽通常開(kāi)在軸上，以便于加工與拆裝。但當(dāng)活塞桿與活塞連接部位的軸徑較小時(shí)，密封槽開(kāi)在活塞內(nèi)孔上。此處選用GB/T3452.3-2005標(biāo)準(zhǔn)O型圈252.65 ，密封槽開(kāi)在活塞內(nèi)孔上。
（2）活塞桿的導(dǎo)向套和防塵
活塞桿導(dǎo)向套在液壓缸的有桿側(cè)端蓋內(nèi)，用以對(duì)活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向，內(nèi)裝有密封裝置以保證缸筒
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