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摘 要 機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。 本次畢業(yè)設(shè)計以“碼垛機械手”作為設(shè)計課題，將先進的設(shè)計理念，先進的設(shè)計技術(shù)和方法相結(jié)合應(yīng)用于傳統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計中，采用當今比較先進的設(shè)計軟件。它需要完成將毛坯材料（直徑80mm）從傳送帶上移到加工中心，再將加工好的零件放回傳送帶的任務(wù)。并且整個過程要求用PLC控制。 通過對機械手在國內(nèi)外的使用現(xiàn)狀的介紹，以及它們在使用中存在的問題，對各種支護設(shè)備進行比較，從而確定設(shè)計方案和設(shè)計參數(shù)，進而對機械手進行受力分析和控制系統(tǒng)的設(shè)計，以確保它的可行性。為以后機械手的設(shè)計與改進提供了依據(jù)。 關(guān)鍵詞： 機械手 液壓 PLC 設(shè)計 Abstract Robots are a kind of automatic positioning control and can be programmed to change to the multi-function machine, it is more freedom, and can be used to carry objects to complete the work in different environments. Robot technology involves mechanics, mechanics, electric hydraulic technology, automatic control technology, the sensor technology and computer technology, science, is an interdisciplinary comprehensive technology. The graduation design in "palletizing robot" as a design topic, the advanced design idea, method and technology of advanced design combined application of traditional product design, the comparison of advanced software design today. It will need to complete blank materials (diameter 80mm) from the conveyor belt to machining center, again will be processed parts put back the conveyor belt. And the whole process requirements with PLC. Through the use of robots at home and abroad are introduced, and the current problems existing in the use of various supporting equipment, compared to determine the design scheme and design parameters, then analyzes forces of manipulator and the design of control system, to ensure its feasibility. For the design and improvement of the manipulator. Keyword: Manipulator Hydraulic PLC Design 目 錄 第1章 緒論 1 1.1工業(yè)機械手概述 1 1.1.1機器人的定義 1 1.1.2機械手概述 2 1.2總體方案設(shè)計 4 1.2.1平行夾持機構(gòu)方案設(shè)計 4 1.2.2平行四邊形機構(gòu)設(shè)計 4 1.2.3大臂設(shè)計方案 5 1.2.4液壓控制系統(tǒng)設(shè)計方案 5 1.2.5 PLC電控系統(tǒng)設(shè)計方案 6 1.3設(shè)計要求 6 1.4我國工業(yè)機器人現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 7 1.5國外機器人研究與發(fā)展趨勢 9 第2章 夾持器的設(shè)計 11 2.1夾持器的總體機構(gòu)設(shè)計 11 2.2夾持器的結(jié)構(gòu)計算及其說明 11 2.2.1設(shè)計要求 11 2.2.2夾持器的設(shè)計計算 11 2.2.3運動部件的主要設(shè)計校核 12 2.3液壓缸的選擇 14 2.3.1 設(shè)計要求 14 2.2.2 液壓缸的設(shè)計計算 14 第3章 平行四邊形機構(gòu)設(shè)計方案 17 3.1四邊形升降機構(gòu)具體設(shè)計 17 3.1.1設(shè)計目的及要求 17 3.1.2設(shè)計參數(shù) 17 3.1.3液壓驅(qū)動的設(shè)計 17 3.2具體設(shè)計計算與校核 17 3.2.1對BE桿的設(shè)計計算 18 3.2.2研究CD桿件 20 3.3平行四邊形機構(gòu)行程計算 21 3.3.1平行四邊形機構(gòu)的簡圖 21 3.4動態(tài)計算 22 3.4.1平行四邊形機構(gòu)動態(tài)計算 22 3.4.2底座回轉(zhuǎn)時的動態(tài)計算 24 3.4.3液壓缸1運動時平行四邊形機構(gòu)的動態(tài)計算 27 3.5帶動平行四邊形機構(gòu)的液壓缸2的設(shè)計與計算 27 3.5.1液壓缸2的行程計算 27 第4章 液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計與計算 33 4.1設(shè)計內(nèi)容 33 4.2 設(shè)計方案 33 4.3總體設(shè)計要求 33 4.4液壓回路設(shè)計 34 4.5油泵的選擇計算 34 4.5.1油泵的選擇計算 34 4.5.2泵驅(qū)動電機的選擇計算 34 4.5.3液壓閥的選擇 34 4.5.4輔助元件的選擇 35 4.5.5液壓系統(tǒng)性能的驗算 36 4.5.6液壓系統(tǒng)圖 36 第5章 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計 37 5.1 PLC的構(gòu)成及工作原理 37 5.2選擇PLC 37 5.3 PLC外部I/O分配圖 37 5.4軟件設(shè)計 39 5.5硬件設(shè)計 46 第6章 結(jié)論 47 參考文獻 48 致謝 49 第一章 緒 論 1.1工業(yè)機械手概述 首先我介紹一下機器人產(chǎn)生的背景，機器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經(jīng)濟的投入，就加強了本國的經(jīng)濟的發(fā)展。 另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。 1.1.1 機器人的定義 在科技界，科學(xué)家會給每一個科技術(shù)語一個明確的定義，但機器人問世已有幾十年，機器人的定義仍然仁者見仁，智者見智，沒有一個統(tǒng)一的意見。原因之一是機器人還在發(fā)展，新的機型，新的功能不斷涌現(xiàn)。根本原因主要是因為機器人涉及到了人的概念，成為一個難以回答的哲學(xué)問題。就像機器人一詞最早誕生于科幻小說之中一樣，人們對機器人充滿了幻想。也許正是由于機器人定義的模糊，才給了人們充分的想象和創(chuàng)造空間。 操作型機器人：能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)中。 程控型機器人：按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機器人的機械動作。 示教再現(xiàn)型機器人：通過引導(dǎo)或其它方式，先教會機器人動作，輸入工作程序，機器人則自動重復(fù)進行作業(yè)。 數(shù)控型機器人：不必使機器人動作，通過數(shù)值、語言等對機器人進行示教，機器人根據(jù)示教后的信息進行作業(yè)。 感覺控制型機器人：利用傳感器獲取的信息控制機器人的動作。 適應(yīng)控制型機器人：機器人能適應(yīng)環(huán)境的變化，控制其自身的行動。 學(xué)習(xí)控制型機器人：機器人能“體會”工作的經(jīng)驗，具有一定的學(xué)習(xí)功能，并將所“學(xué)”的經(jīng)驗用于工作中。 智能機器人：以人工智能決定其行動的機器人。 我國的機器人專家從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)，將機器人分為兩大類，即工業(yè)機器人和特種機器人。所謂工業(yè)機器人就是面向工業(yè)領(lǐng)域的多關(guān)節(jié)機械手或多自由度機器人。而特種機器人則是除工業(yè)機器人之外的、用于非制造業(yè)并服務(wù)于人類的各種先進機器人，包括：服務(wù)機器人、水下機器人、娛樂機器人、軍用機器人、農(nóng)業(yè)機器人、機器人化機器等。在特種機器人中，有些分支發(fā)展很快，有獨立成體系的趨勢，如服務(wù)機器人、水下機器人、軍用機器人、微操作機器人等。目前，國際上的機器人學(xué)者，從應(yīng)用環(huán)境出發(fā)將機器人也分為兩類：制造環(huán)境下的工業(yè)機器人和非制造環(huán)境下的服務(wù)與仿人型機器人，這和我國的分類是一致的。 1.1.2 機械手概述 機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術(shù)特別是電子計算機的廣泛應(yīng)用，機器人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。 機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動、不知疲勞、不怕危險、抓舉重物的力量比人手大等特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用，例如： (1)機床加工工件的裝卸，特別是在自動化車床、組合機床上使用較為普遍 (2)在裝配作業(yè)中應(yīng)用廣泛，在電子行業(yè)中它可以用來裝配印制電路板，在機械行業(yè)中它可以用來組裝零部件。 (3)可在勞動條件差，單調(diào)重復(fù)易子疲勞的工作環(huán)境工作，以代替人的勞動。 (4)可在危險場合下工作，如軍工品的裝卸、危險品及有害物的搬運等。 (5)宇宙及海洋的開發(fā)。 (6)軍事工程及生物醫(yī)學(xué)方面的研究和試驗。 能模仿人手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。 機械手主要由手部和運動機構(gòu)組成。手部是用來抓持工件（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。運動機構(gòu)，使手部完成各種轉(zhuǎn)動（擺動）、移動或復(fù)合運動來實現(xiàn)規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構(gòu)的升降、伸縮、旋轉(zhuǎn)等獨立運動方式，稱為機械手的自由度 。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機 械手設(shè)計的關(guān) 鍵參數(shù)。自由 度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。一般專用機械手有2～3個自由度。 機械手的種類，按驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式、電動式、機械式機械手；按適用范圍可分為專用機械手和通用機械手兩種；按運動軌跡控制方式可分為點位控制和連續(xù)軌跡控制機械手等。 機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置。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物品的主從式操作手也常稱為機械手，機械手在操作人員的輕松操作下，可完成復(fù)雜的自動機器人的許多工作，而生產(chǎn)及使用成本卻大大低于自動機器人，同時使用范圍較之自動機器人更為廣泛，靈活性和機動性更大。將在在汽車制造，家電視訊，金屬制造工業(yè) 鑄造 航空 以及造紙，食品煙草，玻璃陶瓷， 制藥，化工石油等行業(yè)為生產(chǎn)的優(yōu)化發(fā)揮著巨大的作用。 機械手由以下結(jié)構(gòu)：執(zhí)行機構(gòu)——驅(qū)動-傳動機構(gòu)——控制系統(tǒng)——智能系統(tǒng)——遠程診斷監(jiān)控系統(tǒng)，五部分組成?！　◎?qū)動-傳動機構(gòu)與執(zhí)行機構(gòu)是相輔相成的，在驅(qū)動系統(tǒng)中可以分:機械式、電氣式、液壓式和復(fù)合式，其中液壓操作力最大。機械手是模仿人的手部動作，按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運和操作的自動裝置，它是機械化、自動化的重要手段。因此，獲得了日益廣泛的應(yīng)用，特別在高溫、高壓、危險、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作中，它代替了人的工作，具有重要的意義。在機械加工中，沖壓、鑄、鍛、焊、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、交通運輸、國防工業(yè)等各方面，也已愈來愈引起人們的重視。 機械手一般由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、控制機構(gòu)以及位置檢測裝置等組成，驅(qū)動系統(tǒng)可采用液壓傳動、氣動傳動、電氣傳動和機械傳動等形式，而多數(shù)采用電液機聯(lián)合傳動。 該機械手是將圓柱形零件從傳送帶上夾裝到專用機床上，待加工完畢后再夾裝回傳送帶的專用機械手(圖1)。機械手總體設(shè)計分為夾持器、伸縮臂、升降臂和底座四大部件設(shè)計及二個系統(tǒng)：PC電控系統(tǒng)與液壓控制系統(tǒng)設(shè)計。夾持器安裝于伸縮臂上，伸縮臂安裝在升降臂上，升降臂安裝在底座上。連接方式均為法蘭盤螺栓連接。 機械手工作過程如圖所示。 圖1-1 機械手工作流程圖 碼垛機械手結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作程序為：液壓缸1伸出→四邊形機構(gòu)3下降→夾持器4夾緊工件5→液壓缸1縮回→四邊形機構(gòu)3上升→底座1回轉(zhuǎn)→（到達位置后）液壓缸1伸出→四邊形機構(gòu)3下降→夾持器4放開工件5→液壓缸1縮回→→四邊形機構(gòu)3上升→底座1回轉(zhuǎn)至原位。然后進行下一循環(huán)。 改變夾持器形狀，可夾持不同工件或物體。 1.2總體方案設(shè)計 1.2.1 平等夾持機構(gòu)設(shè)計方案 本設(shè)計為工業(yè)機器人平等夾持機構(gòu)的設(shè)計，機器人通過液壓缸驅(qū)動楔塊使兩手指產(chǎn)生夾緊動作。實現(xiàn)物體的移動，采用液壓缸帶動。取料手連接于平行四邊形機構(gòu)上的BF桿，隨著升降臺做升降運動和轉(zhuǎn)動。 1.2.2 平行四邊形機構(gòu)設(shè)計 1.設(shè)計要求：平行四邊形機構(gòu)固定于升降臺上，隨升降臺做上升下降運動和旋轉(zhuǎn)運動。平行四邊形機構(gòu)前端安裝平等夾持機構(gòu)，用于抓取工件。四邊形機構(gòu)以上下轉(zhuǎn)動實現(xiàn)水平伸縮，完成物體工位的轉(zhuǎn)換。 2.設(shè)計參數(shù)： 1) 伸縮長度：300mm，平行四邊形機構(gòu)固定在升降臺上，隨升降臺做上下運動和旋轉(zhuǎn)運動；平行四邊形機構(gòu)前端安裝機械手，用于夾持工件；平行四邊形上下轉(zhuǎn)動，完成工件的工位轉(zhuǎn)換。 2) 單方向伸縮時間：1~1.5S 3)可采用電機(伺服電機、步進電機)驅(qū)滾珠絲杠傳動或液壓驅(qū)動，共兩種方案。 4)上下轉(zhuǎn)動要有定位措施 3.液壓驅(qū)動方案 1) 轉(zhuǎn)動原理：以液壓泵帶動液壓缸的伸縮，同時液壓缸小角度的擺動，實現(xiàn)與平行四邊形機構(gòu)的運動軌跡的重合與轉(zhuǎn)動。 2) 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計參見后面章節(jié) 3) 緩沖裝置與定位裝置的設(shè)計 4) 液壓泵的選擇 1.2.3 大臂設(shè)計方案 1.大臂設(shè)計參數(shù)和要求 1)行程：0-800㎜，任意可調(diào)； 2)運動時間：單向升降運動時間：0—3s； 3)采用液壓傳動齒輪倍程升降機構(gòu)方案。 4)升降臂定位可靠、精確。 5)升降臂與旋轉(zhuǎn)底座、伸縮臂為法蘭連接； 6)結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮伸縮臂工作時的整機平衡； 2.液壓驅(qū)動方案 采用直線油缸 3.設(shè)計內(nèi)容 1)大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計； 2)大臂結(jié)構(gòu)強度設(shè)計； 1.2.4 液壓控制系統(tǒng)設(shè)計方案 此設(shè)計的工業(yè)機械手屬于圓柱坐標式的液壓驅(qū)動機械手，具有手臂升降、轉(zhuǎn)動和回轉(zhuǎn)三個自由度。因此相應(yīng)地由手臂轉(zhuǎn)動平行四邊形機構(gòu)、手臂升降機構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機構(gòu)等組成。每一部分用液壓缸驅(qū)動與控制。要求畫出液壓傳動系統(tǒng)圖。對系統(tǒng)圖的具體要求如下： 1.滿足工業(yè)機械手動作順序要求。動作順序的各個動作均由電控系統(tǒng)發(fā)訊號控制相應(yīng)的電磁鐵（電磁換向閥），按照程序依次步進動作從而實現(xiàn)要求。 2.手臂伸縮采用擺動液壓缸驅(qū)動。 3.手臂升降運動采用單桿雙作用缸，上升和下降均由單項調(diào)速閥回油截流，由電液動三位四通O型換向閥換向。上升速度約為100毫米／秒。上升為工作行程，其緩沖定位是靠行程開關(guān)適時發(fā)訊號，提前切斷油路滑行緩沖定位。由于升降缸為立式，在其液壓缸下腔油路上安裝有單向順序閥，用以避免因整個手臂自重而下降，起到支撐與平衡的作用。 1.2.5 PLC電控系統(tǒng)設(shè)計方案 設(shè)計內(nèi)容 1.設(shè)計該系統(tǒng)液壓泵電機及各部分總成驅(qū)動電機的主電路。 2.參照主電路及液壓控制系統(tǒng)圖設(shè)計控制柜，畫出所有元件的柜中布置圖。 3.確定全部的行程開關(guān)的安裝、調(diào)試方案。 4.選擇電控系統(tǒng)中所有電機及元器件的型號。 5.以F1系列基本指令、移位寄存指令、步進指令編程。要求編寫分配圖、、程序總框圖、各部分的梯形圖并編寫出完整的語句表。 1.3 設(shè)計要求 1) 功能性的要求 機械手平行四邊形機構(gòu)安裝在升降大臂上，前端安裝吸盤取料手，按照控制系統(tǒng)的指令，完成軟包裝液體的自動轉(zhuǎn)換工作。四邊形機構(gòu)轉(zhuǎn)動要求平穩(wěn)靈活，定位準確，工作協(xié)調(diào)。 2) 適應(yīng)性要求 為了便于調(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)計可調(diào)式定位機構(gòu)。為了控制慣性力，減少運動沖擊，動力的大小要能與負載大小相適應(yīng)，如步進電機通過程序設(shè)計改變運動速度，力矩電機通過調(diào)整工作電壓，改變堵轉(zhuǎn)力矩的大小，達到工作平穩(wěn)、運動快捷、定位準確。 3) 壽命的要求 產(chǎn)品壽命是產(chǎn)品正常使用時因為磨損是性能下降并在允許范圍內(nèi)而且無需大修的連續(xù)工作期限。設(shè)計中要考慮采取減磨的措施，如：選擇耐磨材料、采取合適的潤滑措施、合理設(shè)計零件的形面等。因各零件部位難以設(shè)計成相等的壽命，所以容易受到磨損的零件應(yīng)及時適時的更換。 4) 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)機械手可自動完成預(yù)定工作，廣泛應(yīng)用在自動化生產(chǎn)線上，因此要求工業(yè)機械手工作必須可靠。設(shè)計時需要進行可靠性及強度的要求進行設(shè)計。 5) 經(jīng)濟性的要求 機械產(chǎn)品的經(jīng)濟性包括設(shè)計制造的經(jīng)濟性和使用的經(jīng)濟性。機械產(chǎn)品的制造成本構(gòu)成中材料費、加工費占著很大比重，設(shè)計時必須予以充分重視。將機械課程設(shè)計中所學(xué)的知識合理進行運用。 提高產(chǎn)品設(shè)計制造經(jīng)濟的主要措施： (1)采用先進的現(xiàn)代設(shè)計方法，使設(shè)計參數(shù)最優(yōu)化以達到精確的結(jié)果，保證機器足夠的可靠性。 (2)最大限度的采用標準化、系列化及通用化的零部件。這是設(shè)計中要得到重視的一點。要對標準件、通用零件、部件、通用的設(shè)計規(guī)范有所了解。作為初學(xué)者，要學(xué)習(xí)、參考已有的成功設(shè)計成果，還要進一步的進行研究創(chuàng)新。 (3)盡可能采用新工藝、新技術(shù)等。 (4)合理的組織設(shè)計制造等工藝過程。 (5)力求改善零件的結(jié)構(gòu)工藝性，使用最少的材料，達到容易加工，容易裝配。在設(shè)計中要特別注意。 提高使用的經(jīng)濟性的主要措施： (1)合理的提高機械的機械化與自動化的水平，以期提高機器的生產(chǎn)率。工業(yè)機械手是提高機械工作效率的方式之一。 (2)降低能源消耗是提高經(jīng)濟性的主要措施。要合理配置動力系統(tǒng)，選用高效率的傳動系統(tǒng)，盡可能減少傳動的中間環(huán)節(jié)，已達到減低消耗能源的目的。 (3)選擇適當?shù)姆雷o及潤滑措施，減少機械摩擦，來延長機器的使用壽命。 (4)采用可靠的密封，減少或消除滲漏現(xiàn)象，減少消耗保護環(huán)境。 6）人機工程學(xué)的要求 人機工程學(xué)稱為技術(shù)美學(xué)，包括操作方便宜人，調(diào)節(jié)省力高效，照明適度，現(xiàn)實清晰，造型美觀，色彩和諧，維修保養(yǎng)容易等。本設(shè)計中要充分重視外形設(shè)計，各調(diào)整環(huán)節(jié)的設(shè)計要方便人體接近，方便工具的使用。 7）安全保護和自動報警的要求 按照規(guī)范要求，采取適當?shù)姆雷o措施，確保操作人員的人身安全，這是任何設(shè)計都必須有的，是必不可少的。在程序設(shè)計中要考慮因故障造成的突然中斷，如機構(gòu)卡死，工件不到位，突然斷點等情況，要設(shè)置報警裝置。 1.4 我國工業(yè)機器人現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 我國機器人技術(shù)大約起步于20世紀70年代。到80年代中期，我國已研制了100多臺工業(yè)機器人，其中有6臺為示教再現(xiàn)型，擁有了生產(chǎn)第一批工業(yè)機器人的技術(shù)能力，縮短了與國外的差距。在這時期，工業(yè)機器人技術(shù)發(fā)展迅猛，所開發(fā)的四大類型機器人產(chǎn)品（點焊、弧焊、噴漆、上下料）主要用于汽車工業(yè)。且在1985年先后在幾個國家級學(xué)會內(nèi)設(shè)立了機器人專業(yè)委員會，以組織和開展機器人學(xué)科的餓學(xué)術(shù)交流，促進機器人技術(shù)的發(fā)展。1987年，在北京首屆國際機器人展覽會上，我國展示了10余臺自行研制的工業(yè)機器人。 隨著工業(yè)技術(shù)和經(jīng)濟的發(fā)展，機器人的應(yīng)用范圍不斷擴大，技術(shù)性能也在不斷提高。 目前，應(yīng)用于生產(chǎn)實際的工業(yè)機器人多為示教再現(xiàn)型機器人，而且計算機控制的工業(yè)機器人占有相當比例。帶有“觸覺”、“視覺”等感覺的“智能機器人”尚處于開發(fā)試用階段。帶有一定智能的工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展方向。目前所使用的工業(yè)機器人一般沒有“視覺” 、“觸覺”“聽覺”、“邏輯判斷”等機能，所以它不能對所抓取的工作進行識別，并選取所需要的工件，不能進行適應(yīng)性操作。 “七五”期間，制訂了國家“863”發(fā)展規(guī)劃，在自動化領(lǐng)域中設(shè)立了智能機器人主題研究方向，經(jīng)過“七五”、“八五”攻關(guān)，我國研制了各種類型的機器人，已初步實現(xiàn)了工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化，生產(chǎn)的工業(yè)機器人已達到了工業(yè)應(yīng)用水平。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(xué)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。 工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展趨勢是： 1) 提高運動速度和動作精度，減小質(zhì)量和占用空間，加速機器人功能部件的標準化和模塊組合化；將機器人的回轉(zhuǎn)、伸縮、俯仰、和擺動等各種功能的機械模塊、控制模塊和檢測模塊組合成不同結(jié)構(gòu)和用途的機器人。 2) 開發(fā)新型結(jié)構(gòu)，如微動機構(gòu)保證動作精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)、多自由度的手臂和靈巧手；研制新型的行走機構(gòu)，以適應(yīng)各種作業(yè)的機器人。 3) 研制各種傳感器檢測裝置，如視覺、觸覺、聽覺和接近覺，用傳感器獲取有關(guān)工作對象和外部環(huán)境信息完成模式識別，并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，組成計算機控制系統(tǒng)，使機器人能夠準確抓住方位在變化的物體；能自動避開障礙物；可根據(jù)不同對象自主決定夾持力的大小；并能判斷抓取工件的質(zhì)量等等。這種具有感知、判斷能力的機器人是大有發(fā)展前途的。 4) 工業(yè)機器人的一種新發(fā)展方向是機器人與機器人之間或多機器人之間的協(xié)調(diào)作業(yè)。 1.5國外機器人研究與發(fā)展趨勢　 目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術(shù)的研究，并朝著智能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內(nèi)容集中在以下10個方面： 1) 工業(yè)機器人操作機結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計技術(shù)：探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載/自重比，同時機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 2) 機器人控制技術(shù)：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò)化，以及基于PC機網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點。編程技術(shù)除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。 3) 多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應(yīng)性，多種傳感器的使用是其問題解決的關(guān)鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。 4) 機器人的結(jié)構(gòu)靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝著一體化方向發(fā)展。 5) 機器人遙控及監(jiān)控技術(shù)，機器人半自主和自主技術(shù)，多機器人和操作者之間的協(xié)調(diào)控制，通過網(wǎng)絡(luò)建立大范圍內(nèi)的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預(yù)先顯示進行遙控等。 6) 虛擬機器人技術(shù)：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術(shù)，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。 7) 多智能體（multi-agent）調(diào)控制技術(shù)：這是目前機器人研究的一個嶄新領(lǐng)域。主要對多智能體的群體體系結(jié)構(gòu)、相互間的通信與磋商機理，感知與學(xué)習(xí)方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。 8) 微型和微小機器人技術(shù)（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個新的領(lǐng)域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領(lǐng)域幾乎是空白，因此該領(lǐng)域研究的進展將會引起機器人技術(shù)的一場革命，并且對社會進步和人類活動的各個方面產(chǎn)生不可估量的影響，微小型機器人技術(shù)的研究主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動方式、控制方法、傳感技術(shù)、通信技術(shù)以及行走技術(shù)等方面。 9) 軟機器人技術(shù)（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機器人設(shè)計未考慮與人緊密共處，因此其結(jié)構(gòu)材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術(shù)要求其結(jié)構(gòu)、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。 10)仿人和仿生技術(shù)：這是機器人技術(shù)發(fā)展的最高境界，目前僅在某些方面進行一些基礎(chǔ)研究。 國外機器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： 1) 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，平均單機價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。 2) 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。 3)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。 4) 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。 5)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機器人中的作用已從仿真、預(yù)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。 6) 當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。 第二章 夾持器的設(shè)計 2.1 夾持器的總體機構(gòu)設(shè)計 本設(shè)計方案為液壓缸驅(qū)動連桿杠桿式回轉(zhuǎn)型夾持器。經(jīng)過反復(fù)思考及論證，先做出裝配圖，如圖中所示。 夾緊和松開動作：當驅(qū)動器驅(qū)動桿1移動時，由桿1、連桿2、杠桿3和夾持爪4組成四桿機構(gòu)，使手指完成夾緊和松開動作。 此結(jié)構(gòu)的夾緊方式產(chǎn)生較大的夾緊力，缺點是手抓的張開角小。 2.2 夾持器的結(jié)構(gòu)計算及其說明 2.2.1 設(shè)計要求 1）所設(shè)計的夾持器要有足夠的夾持力和所需的夾持精度； 2）夾持器靠法蘭聯(lián)接在四桿機構(gòu)上，應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、質(zhì)量輕，以減輕手臂負荷； 3）夾持器由液壓缸提供動力； 4）采用雙指手爪式夾持器，執(zhí)行動作為抓緊、放松； 5）所要夾緊的工件直徑為80mm，高為150mm；夾持器重約0.5kg，長約為250mm，放松時兩爪間最大距離為110——120mm； 6）工件重約6kg，材質(zhì)為45#鋼。 2.2.2 夾持器的設(shè)計計算 1)加緊力的計算 手指加在工件上的加緊力是設(shè)計手部的主要依據(jù)，必須對其大小、方向、作用點進行分析、計算。一般來說，加緊力必須克服工件的重力所產(chǎn)生的靜載荷（慣性力或慣性力矩）以使工件保持可靠的加緊狀態(tài)。 手指對工件的加緊力可按下列公式計算： ，式中： K1—安全系數(shù)，通常取，取1.5； K2—工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按K2=1+a/g估算，其中a為機器人搬運工件過程的加速度或減速度的絕對值（），工件的最大速度為（即運載工件時重力方向的最大速度），t為系統(tǒng)達到最高速度的時間根據(jù)設(shè)計參數(shù)選取，一般取0.03～0.5s。K2=1+a/g＝1+0.259.8=1.025； K3—方位系數(shù)，手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定，如手指水平放置，夾持器垂直放置時，，手指水平（或垂直）放置，夾持垂直工件時，（平直指為5，V型指為4），本設(shè)計中夾持垂直工件，故K3取4。 G—被抓取工件的重量 因為前者的情況，工件重力和慣性力直接作用在手指上，所需夾緊力最??；后者的情況，工件重力和慣性力要由加緊力所產(chǎn)生的摩擦力來克服，所以，所需夾緊力要大若干倍。 可確定夾緊力： 對夾緊力取整： FN=362N 2)驅(qū)動力的計算 根據(jù)驅(qū)動力和夾緊力之間的關(guān)系式 式中： c：杠桿上兩銷軸之間的距離，設(shè)計為60mm； b：杠桿上固定銷軸至爪間的距離，設(shè)計為60mm； α：連桿與夾具體之間的夾角為30 可得： 對驅(qū)動力取整： ＝362N 對于實際驅(qū)動力的計算可遵循 進行計算， 其中： —手部機構(gòu)機械效率N=0.85–0.9； 可得： N 在實際工作中，驅(qū)動力應(yīng)足夠大，故在實際中應(yīng)取只偏大，確定驅(qū)動力為FP=500N。 2.2.3 運動部件的主要設(shè)計校核 1)對于杠桿的校核 (a）杠桿材料為45鋼 加工方法：鑄造。 形狀尺寸如裝配圖 (b）垂直方向彎曲強度校核 杠桿的受力情況如下 受到的夾緊力為362N 工件重量約為G=60N 自身重量約為 夾持器手指重量G2大至估算為3N， 則臂的彎曲應(yīng)力 鑄鋼的彎曲應(yīng)力。 (c）校核夾持力對豎桿的彎曲應(yīng)力，H處為危險截面，受力彎矩圖如圖（2-1）所示： 圖2-1 彎曲應(yīng)力圖 經(jīng)校核H處不會發(fā)生彎曲斷裂。 (d）夾持器臂上加工兩銷孔，一個孔用于與支撐板連接，端部孔用于與V形爪連接，連接均用銷軸和螺母配套使用，且螺母應(yīng)用鎖緊螺母。 銷軸的規(guī)格：公稱直徑d=8mm,長度l=40mm。 螺母規(guī)格：內(nèi)徑為d=8mm，用于兩螺母均可采用薄螺母。 V形爪：V形爪加工方法為鑄造。 V形爪張開角度為90度，如裝配圖所示 V形爪兩側(cè)的內(nèi)側(cè)加工出用來安裝橡膠塊的凹槽，橡膠塊用來增加工件與爪子之間的摩擦力，使夾持工件更穩(wěn)定牢固，這樣又能起到保護工件表面的作用。 2.3液壓缸的選擇 2.3.1 設(shè)計要求 機械手液壓系統(tǒng)與其它機器的液壓系統(tǒng)具有許多共性，其中最突出的特點是緩沖與定位問題，從生產(chǎn)效率來講，機械手正常工作速度越快越好，但叢穩(wěn)定性緩沖與定位精度來考慮，速度太大，緩沖與定位就不容易達到，為達到其運動平穩(wěn)性和定位精確要求，一般在定位前采取緩沖制動措施，從液壓原理講增加液壓阻尼力，在液壓缸結(jié)構(gòu)上，緩沖或緩沖回路。 2.3.2 液壓缸的設(shè)計計算 1）根據(jù)夾持器驅(qū)動力由液壓缸提供的原則，所選液壓缸要滿足工作的要求。 本方案選用了W70L-1系列輕型拉桿液壓缸，與同等壓力等級液壓缸相比，該液壓缸具有結(jié)構(gòu)簡單、零件通用化程度高和安裝形式多樣等特點，廣泛應(yīng)用于橡塑、紡織等輕工機械，以及機床、汽車、農(nóng)機、化工、冶金和礦山等機械。該液壓缸符合本方案“結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕”的設(shè)計要求。液壓缸結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。 圖2-2 液壓缸示意圖 其中液壓缸活塞桿的終端與外部連桿用螺紋連接，其結(jié)構(gòu)簡圖2-3如下： 圖2-3 活塞桿 2）液壓缸的設(shè)計計算 已知液壓缸驅(qū)動力FP， 為液壓缸的工作負荷。 由于，故選工作壓力P=1MPa 。 據(jù)公式計算可得液壓缸內(nèi)徑 根據(jù)液壓設(shè)計手冊，圓整后取D=32mm. 活塞桿直徑 d=0.5D=0.532mm=16mm 活塞厚 B=(0.6～1.0)D 取B=0.7D=0.732mm=22.4mm 缸筒長度 L≤(20～30)D 取L為80mm 導(dǎo)向筒長度C≈(0.6～1.0)D=0.8D=0.832mm=25.6mm 活塞行程： A 當抓取80mm工件時，即手爪從張開120mm減小到80mm，活塞桿向前移動大約30mm。取液壓缸行程S=35mm。 B 液壓缸流量計算 放松時流量 夾緊時流量 夾持器液壓缸的選用型號：W70L-1-2La40B-70N22-BD。 該型號液壓缸技術(shù)參數(shù)如下： 工作壓力 使用溫度范圍 允許最大速度 效率 傳動介質(zhì) 缸徑 有桿腔受壓面積 無桿腔受壓面積 溫度比 1Mp 300m/s 90% 常規(guī)礦物液壓油 32mm 12.5 8.6 1.45 第三章 平行四邊形機構(gòu)設(shè)計方案 3.1四邊形升降機構(gòu)具體設(shè)計 3.1.1 設(shè)計目的及要求 機械手模仿人的手部動作，按照給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動吸取，將工件從傳送帶上取下送至加工中心。其中平行四邊形機構(gòu)安裝在升降臂上，升降臂安裝在底座上。平行四邊形機構(gòu)由液壓缸驅(qū)動并且隨升降臂上下運動。各個連接部分采用螺栓連接。 3.1.2 設(shè)計參數(shù) 1)伸縮長度：300mm，平行四邊形機構(gòu)固定在升降臺上，隨升降臺做上下運動和旋轉(zhuǎn)運動；平行四邊形機構(gòu)前端安裝機械手，用于夾持工件；伸縮臂直線伸縮，完成工件的工位轉(zhuǎn)換。 2)單方向伸縮時間：1~1.5S 3)采用液壓驅(qū)動方案。 4)伸縮運動平穩(wěn)，起動和終止無剛性沖擊，定位準確，要有定位措施。 3.1.3 液壓驅(qū)動的設(shè)計 平行四邊形機構(gòu)由液壓缸2來驅(qū)動，采用單桿雙作用液壓油缸，手臂轉(zhuǎn)動時采用單向調(diào)速閥進行回油截流調(diào)節(jié)，接近終點時，發(fā)出信號，進行調(diào)速緩沖。鑒于要使運動軌跡相重合，要求液壓缸采用擺動式液壓缸。實現(xiàn)平行四邊形機構(gòu)的正反轉(zhuǎn)要求采用電液換向閥控制。 3.2具體設(shè)計計算與校核 圖3-1 BE桿示意圖 BE桿以A點為分界兩側(cè)的質(zhì)量差距過大，所以為了平衡性的考慮，在AE桿上加一重約3kg的質(zhì)量塊。 3.2.1 對BE桿的設(shè)計計算 1)取BE桿進行研究 BE桿截面如圖所示，其中寬b=15㎜;高h=30㎜;材料選取45號鋼，密度ρ=7.8510㎏／m； 圖3-2 BE桿截面圖 2)受力計算 桿BE受到A處的支撐力，B處的拉力，E處的拉力，如圖所示 圖3-3 BE桿受力圖 F?=F＋G／2=65＋9=74N 其中：G—桿CD所受重力； F—桿BC與取料手所受重力； 根據(jù)力的平衡 ∑M=0 F2lAE－F1lAB＋GAElAE／2－GABlAB／2=0 ∑Fx=0 F2－FA＋qlBE＋F1=0 可得： F2=192N FA=290N ﹙其中GAE=37N,GAB=17.7N﹚ 3)畫出受力簡圖 圖3-4 BE桿彎矩圖 圖3-5 BE桿扭矩圖 由以上數(shù)據(jù)得： 抗彎截面系數(shù)WZ=bh2／6=1530／6=2250mm3 （3.1） 抗扭截面系數(shù)IZ=bh3／12=15／12=67500mm4 （3.2） 所以將式式（3.1）與式（3.2）所得的數(shù)據(jù)代入式（3.3）和式（3.4）可得： 正應(yīng)力：σmax=M／WZ=34.3109／2250=15.5MPa （3.3） 切應(yīng)力：τmax=3F／2A=0.97MPa （3.4） 4)校核強度 此桿件選取材料為鋼，則許用正應(yīng)力[σ]=160 MPa；許用切應(yīng)力[τ] =100 MPa；彈性模量E=200 MPa. 所以σmax ＜[σ]；并且τmax＜[τ] ，可得BE桿滿足強度要求。 5)選取BF桿研究 BF桿的截面尺寸為a=b=20㎜,長度lBF=200mm,BF桿受取料手的重力和CD桿的重力的一半，總和為P=65N；自身所受重力G=ρνg=6.28N最終所受總外力為F=P＋G=72N;所受正應(yīng)力為σmax=F／A =0.18MPa，所受切應(yīng)力τmax=0.27MPa. BF桿的材料仍取鋼，則許用正應(yīng)力[σ]=160 MPa；許用切應(yīng)力[τ] =100 MPa；彈性模量E=200 MPa。 所以σmax ＜[σ]；并且τmax＜[τ] ，可得此桿件滿足強度要求。 3.2.2 研究CD桿件 取截面尺寸為寬高=1530，如圖 圖3-6 CD桿截面圖 1) 對CD桿進行受力分析，如圖 圖3-7 CD桿受力圖 圖3-8 CD桿彎矩扭矩圖 可得: 最大力Fmax=9N,最大彎矩Mmax=1.12N。(CD桿自身所受重力為G=17.7N。) 可得最大正應(yīng)力： σmax=M／WZ=6M／bh2=0.5 MPa; 最大切應(yīng)力： τmax=3F／2A =0.03 MPa； 桿CD材料選取為鋼，則許用正應(yīng)力[]=160 MPa；許用切應(yīng)力彈性模量E=200 MPa。 可得＜[]；并且，可得此桿件滿足強度要求。 3.3平行四邊形機構(gòu)行程計算 3.3.1 平行四邊形機構(gòu)的簡圖 圖3-9 平行四邊形機構(gòu)簡圖 由計算得: 上極位角；下極位角；上極位點到水平距離;上極位點到水平距離； 下極位到水平距離；下極位點到水平距離。 在上極位處，為不發(fā)生干涉，與之間的距離,由于,所以不會發(fā)生干涉。 3.4 動態(tài)計算 3.4.1 平行四邊形機構(gòu)動態(tài)計算 四邊形機構(gòu)的最大轉(zhuǎn)角；轉(zhuǎn)動時間為1-1.5S；啟動與停止時間為0.2S，如圖所示 圖3-10 時間圖 （3.5） 其中： α―角加速度； t1―啟動時間及加速時間和減速時間0.2S； ω―平穩(wěn)轉(zhuǎn)動角速度； φ―轉(zhuǎn)動角度； t2-平穩(wěn)轉(zhuǎn)動時間1.1S； 將數(shù)據(jù)代入式（3.5）解得角加速度； 在BE桿水平位置時是受力最大處，所以校核水平位置時BE桿的強度，受力分析如圖 圖3-11受力分析圖 可以將受力簡圖簡化成如圖，而且加強了桿的強度。 圖3-12 受力簡圖 由圖可得所受最大力Fmax=172N；所受最大彎矩Mmax=34.8N； 材料前面已經(jīng)取過，為鋼，則許用正應(yīng)力=160MPa；許用切應(yīng)力；彈性模量E=200MPa。 最大正應(yīng)力：σmax=M／WZ=34.3109／2250=15.5MPa式（3.3） 最大切應(yīng)力：τmax=3F／2A=0.97MPa 校核強度，可得；并且，可得此桿件滿足強度要求。此平行四邊形機構(gòu)也滿足強度要求。 3.4.2 底座回轉(zhuǎn)時的動態(tài)計算 轉(zhuǎn)角；轉(zhuǎn)動時間t=0-4S；過程如圖 圖3-13 回轉(zhuǎn)時間圖 設(shè)角加速度為加速時間=0.5S，減速時間，勻速運動時間。 （3.7） 將數(shù)據(jù)代入式（3.6）解得角加速度； 所以在承載最大的BE桿上，=1.74；受力簡圖如圖 圖3-14 BE桿受力簡圖 根據(jù)力的平衡條件 （3.8） （3.9） 其中： FE—液壓缸2所受力； FB—桿BF與取料手加到B點的力； lAE —桿AE長度； lAB—桿AB長度； （3.10） （3.11） 其中： FE—液壓缸2所受力； FB—桿BF與取料手加到B點的力； FA—支撐座在A點所受力； 由式（3.11）和式（3.10） 解得E點處所受力及液壓缸2所受力為 解得A點處所受力及支撐座所受力為 受力圖與彎矩圖如圖 圖3-15 彎矩扭矩圖 由圖中可得受到最大外力；所受最大彎矩； 受到的最大正應(yīng)力為； ； 最大且應(yīng)力為； 校核強度，可得＜[]；并且，可得此桿件滿足強度要求。此桿構(gòu)件滿足強度要求。 3.4.3 液壓缸1運動時平行四邊形機構(gòu)的動態(tài)計算 1)運動參數(shù) 液壓缸1行程：h-0 時間：t-0 如圖 圖3-16 運動時間圖 在液壓缸1上升過程中加速度為a,上升時加速與減速的時間均為0.3s,勻速運動時間為。 可列運動方程 （3.12） （3.13） 將以上數(shù)據(jù)代入式式（3.12）得液壓缸1上升過程中加速度a=。 此時的加速度小于液壓缸2運動時所產(chǎn)生的加速度，慣性力也小于液壓缸2運動時所產(chǎn)生的慣性力。所以在液壓缸2運動時機構(gòu)滿足強度要求。 3.5帶動平行四邊形機構(gòu)的液壓缸2的設(shè)計與計算 3.5.1 液壓缸2的行程計算 在第三章圖3-9中，E間的水平距離=；E間的豎直距離，可得間豎直距離V=221.65㎜，所以液壓缸2的行程及V，也就是221.65㎜。 1) 靜態(tài)時，由前述圖可得P=46N。 2) 動態(tài)時總轉(zhuǎn)角，在桿BE承水平狀態(tài)時所承受的動態(tài)載荷最大為F=67.5N。啟動時桿AE在極限位置1時啟動過程轉(zhuǎn)過6，桿在此時伸出長度為0.01m，伸出所用時間為0.02s，可得啟動時加速度，同樣可得制動時加速度。 (1)平穩(wěn)運動時的速度 (2)選取液壓缸的工作壓力 因最大工作載荷由前可知 液壓缸牽引力與工作壓力間關(guān)系如表 表3-1 牽引力（KN） 5-10 10-20 20-30 工作壓力（MPa） 1.5-2 2.5-3 3-4 由表3-1 可知此時工作壓力為MPa間，可以初選液壓缸工作壓力P=0.8MPa. (3)液壓執(zhí)行元件的主要參數(shù) 工作負載R 液壓缸的工作負載是指工作機構(gòu)在滿載負荷情況下，以一定加速度啟動時對液壓缸產(chǎn)生的總阻力，即 （3.14） 式中； —工作機構(gòu)的荷重及自重對液壓缸產(chǎn)生的作用力； —工作機構(gòu)在滿載啟動時的靜摩擦力； —工作機構(gòu)在滿載啟動時的慣性力。 現(xiàn)在由于缸的結(jié)構(gòu)尺寸未確定，所以和無法確定，只有以R進行計算，待和確定后進行校核，看是否滿足要求，若不滿足要求，再進行進一步的計算。 ②缸筒內(nèi)徑的確定 對于單活塞雙作用缸來說，當活塞桿以推力驅(qū)動工作負載時，及壓力油輸入無桿腔時，工作負載為 R=F= （3.15） 將數(shù)據(jù)代入式（3.14）得,取國標圓整值為25㎜。 當活塞桿是以拉力驅(qū)動時，壓力油輸入有桿腔 （3.16） 將數(shù)據(jù)代入式（3.15）得R=,同樣按照國標圓整為25㎜。 ③活塞桿直徑d的確定 在確定活塞桿直徑d時，既要滿足結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性要求，也要考慮工作運動速度的要求。通常先從滿足速度的角度選擇活塞桿直徑，然后再校核其結(jié)構(gòu)強度，必要時還需按照穩(wěn)定性的要求進行驗算。 活塞桿直徑d的推薦值：當活塞桿受拉時，d=(0.3-0.5)D；當多塞受壓時，d=（0.5-0.7）D。 所以此處d=（0.5-0.7）D，此時選取d=0.6D=15㎜. 活塞桿強度計算 取材料為材料為鋼，則許用正應(yīng)力[]=160 MPa；許用切應(yīng)力彈性模量E=200 MPa.則所受正應(yīng)力 ， （3.17） 式中； F—活塞桿拉力，單位為N； d—活塞桿直徑，單位為㎜； 計算得，所以活塞桿滿足強度要求。 活塞桿穩(wěn)定性計算 柔度,桿的柔度 （3.18） 式中； —桿的柔度； —長度因數(shù)； 桿的長度； 慣性半徑； 桿一端鉸支一端固定，所以長度因數(shù)為0.7。慣性半徑。將數(shù)據(jù)代入式（3.17）的柔度，所以此桿為小柔度桿。所以零界應(yīng)力，所以，所以活塞缸2的活塞桿滿足強度和穩(wěn)定性要求。 ④液壓缸壁厚的確定 液壓缸壁厚由結(jié)構(gòu)和工藝等要求確定，一般按照薄壁筒計算，壁厚由式（3.19）確定。 （3.19） 式中； —缸最大壓力； D—缸筒內(nèi)徑； —最大需用應(yīng)力，此處為材料為鋼，則許用正應(yīng)力[]=160 MPa；許用切應(yīng)力 彈性模量E=200 MPa.； 將數(shù)據(jù)代入式（3.18）得。考慮到液壓缸的加工要求，將其壁厚適當加厚，取壁厚為3㎜。 ⑤最小導(dǎo)向長度H 當活塞桿全部外伸時，從活塞支撐面中點到導(dǎo)向滑套動面中點的距離最小為最小導(dǎo)向長度H。 對單活塞液壓缸，一般 （3.20） 式中 ； —活塞最大工作行程； D—缸筒內(nèi)徑。 將數(shù)據(jù)代入式（3.19）得。 ⑥缸筒外徑 D1=D+2δ 式中； —缸筒外徑； —缸筒壁厚。 ⑦缸底厚度計算 式中； —缸底內(nèi)徑； —缸底材料的需用應(yīng)力，此處取材料為鋼，則許用正應(yīng)力[]=160 MPa； 許用切應(yīng)力彈性模量E=200 MPa；液壓缸最大工作壓力。 將數(shù)據(jù)代入式（3.21）得。圓整為5