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1、1 緒 論 1.1機械手的簡介 機械手是模仿著人手的部分動作，按給定程序、軌跡和要求實現(xiàn)自動抓取、搬運或操作的自動機械裝置。在工業(yè)生產中應用的機械手被稱為工業(yè)機械手。 機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。 機械手是在自動化生產過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置，它是在機械化、自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。近年來，隨著電子技術特別是電子計算

2、機的廣泛應用，機器人的研制和生產已成為高技術領域內迅速發(fā)展起來的一門新興技術，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合。機械手能代替人類完成危險、重復枯燥的工作，減輕人類勞動強度，提高勞動生產力。機械手越來越廣泛的得到了應用，在機械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運、裝卸，特別是在自動化數(shù)控機床、組合機床上使用更普遍。 目前，機械手已發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中一個重要組成部分。把機床設備和機械手共同構成一個柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應于中、小批量生產，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結構緊湊，而且適應性很強。當工件變更時，柔性

3、生產系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對路的品種，提高產品質量，更好地適應市場競爭的需要。而目前我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，應用規(guī)模和產業(yè)化水平低，機械手的研究和開發(fā)直接影響到我國自動化生產水平的提高，從經濟上、技術上考慮都是十分必要的。 機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展，制成了能夠獨立的按程序控制實現(xiàn)重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強，所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用 1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀 目前，在國內外各種機器人和機械

4、手的研究成為科研的熱點，工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，但無論數(shù)量、品種和性能方面還都是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。 國內發(fā)展現(xiàn)狀 在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖

5、擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。 此外還應大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。 國外發(fā)展現(xiàn)狀 在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。 此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能，目前已經取得一定成績。 視覺功能即在機械手上安裝有電視

6、照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。 觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。 總的來說，大體是兩個方向：其一是機器人的智能化，多傳感器、多控制器，先進的控制算法，復雜的機電控制系統(tǒng)；其二是與生產加工相聯(lián)系，滿足相對具體的

7、任務的工業(yè)機器人，主要采用性價比高的模塊，在滿足工作要求的基礎上，追求系統(tǒng)的經濟、簡潔、可靠，大量采用工業(yè)控制器，市場化、模塊化的元件。 1.3 機械手的發(fā)展趨勢 (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)機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化:由關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機;國外已有模塊化裝配機器人產品問市。 (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、網絡化;器件集成度提高，

8、控制柜日見小巧，且采用模塊化結構: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來進行環(huán)境建模及決策控制多傳感器融合配置技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。 (5)虛擬現(xiàn)實技術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)構成完整的監(jiān)

9、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)成功應用的最著名實例。 1.4 機械手的組成 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。 (1)執(zhí)行機構 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。 1）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構。夾持式手部由手指(或手爪)和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件，常用的手指運動形式有回轉型和平移型。回轉型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型

10、應用較少，其原因是結構比較復雜，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。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位(是外廓或是內孔)和物件的重量及尺寸。常用的指形有平面的、V形面的和曲面的:手指有外夾式和內撐式;指數(shù)有雙指式、多指式和雙手雙指式等。而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構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。 2）手腕 是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢) 3）手臂 手臂是支承被抓物件、手部、手腕的重要部件

11、。手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置.工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、氣缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等)與驅動源(如液壓、氣壓或電機等)相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。 4）立柱 立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰)運動均與立柱有密切的聯(lián)系。機械手的立I因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。 5）行走機構 當工業(yè)機械手需要完成較遠距離的操作，或擴大使用范圍時，可在機座上安滾輪式行走機構可分裝滾輪、軌道等行走機構，以實現(xiàn)工業(yè)機械手的整機運動。滾輪式布為

12、有軌的和無軌的兩種。驅動滾輪運動則應另外增設機械傳動裝置。 6）機座 機座是機械手的基礎部分，機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。 (2)驅動系統(tǒng) 驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的動力裝置調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、 氣壓傳動、機械傳動?？刂葡到y(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動， 并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同

13、時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (3)控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機械手按規(guī)定的要求運動的系統(tǒng)。目前工業(yè)機械手的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機械擋塊定位)系統(tǒng)組成。控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定的程序運動，并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序、運動軌跡、運動速度及時間)，同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。 (4)位置檢測裝置 控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實

14、際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置. 機械手的類型 工業(yè)機器人的結構形式主要有直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構，關節(jié)型結構四種。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下： （1）直角坐標機器人結構 直角坐標機器人的空間運動是用三個相互垂直的直線運動來實現(xiàn)的，如圖a1-3-1.。由于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，所以，直角坐標機器人有可能達到很高的位置精度（μm級）。但是，這種直角坐標機器人的運動空間相對機器人的結構尺寸來講，是比較小的。因此，為了實現(xiàn)一定的運動空間，直角坐標機器人的結構尺寸要

15、比其他類型的機器人的結構尺寸大得多。 直角坐標機器人的工作空間為一空間長方體。直角坐標機器人主要用于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)，直角坐標機器人有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。 （2）圓柱坐標機器人結構 圓柱坐標機器人的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的，如圖1-3-1.b。這種機器人構造比較簡單，精度還可以，常用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個圓柱狀的空間 （3）球坐標機器人結構 球坐標機器人的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的，如圖1-1,這種機器人結構簡單、成本較低，但精度不很高。主要應用于搬運作業(yè)。其工作空間是一個類球形的空間。 （4） 關節(jié)型機器人結構

16、 關節(jié)型機器人的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的，如圖1-3-1.d。關節(jié)型機器人動作靈活，結構緊湊，占地面積小。相對機器人本體尺寸，其工作空間比較大。此種機器人在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)，都廣泛采用這種類型的機器人。 關節(jié)型機器人結構，有水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 圖1-1 四種機器人坐標形式 1.5課題主要研究內容 本文研究了國內外機械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過學習機械手的工作原理，熟悉了搬運機械手的運動機理。在此基礎上，確定了液壓機械臂的基本系統(tǒng)結構，對液壓機械手的運動進行了簡單的力學模型分析，完成了機械 械方面的設計工作（包括執(zhí)行部分、

17、驅動部分）的設計工作。進而運用CAD,Pro-E等軟件對機械手的手臂結構及升降機構進行分析制圖。掌握制圖軟件的基本技巧。 1.6小結 本章簡要的介紹了機械手的基本概念。在機械手的組成上，系統(tǒng)從執(zhí)行機構、驅動機構兩個方面說明。比較細致的介紹了機械手的發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，簡要的敘述了本文研究的內容。 2 結構功能分析及設計方案 2.1機械手的總體結構 機械手的總體結構分析 工業(yè)機械手的結構形式主要有四種：直角坐標結構，圓柱坐標結構，球坐標結構和關節(jié)型結構。各結構形式及其相應的特點，分別介紹如下： 1）直角坐標機械手結構特點 直角坐標機械手的空間運動是用三個相互垂直

18、的直線運動來實現(xiàn)的。由求機械手的尺寸足夠大。直角坐標機械手的工作空間為一空間長方體，主要用于直線運動易于實現(xiàn)全閉環(huán)的位置控制，因此，其運動位置精度高，但此種類型機械手的運動空間相對較小，如要達到較大運動空間，則要于裝配作業(yè)及搬運作業(yè)。直角坐標機械手有懸臂式，龍門式，天車式三種結構。 2）圓柱坐標機械手結構特點 圓柱坐標機械手的空間運動是用一個回轉運動及兩個直線運動來實現(xiàn)的。其工作空間是一個圓柱狀的空間。這種機械手構造比較簡單，精度相對較高，常用于搬運作業(yè)。 3）球坐標機械手結構特點 球坐標機械手的空間運動是由兩個回轉運動和一個直線運動來實現(xiàn)的。其工作空間是一個類球形的空

19、間。這種機械手結構簡單、成本較低，但精度不很高，主要應用于搬運作業(yè)。 4）關節(jié)型機械手結構特點 關節(jié)型機械手的空間運動是由三個回轉運動實現(xiàn)的。相對機械手本體尺寸，其工作空間比較大，動作靈活，結構緊湊，占地面積小。此種機械手在工業(yè)中應用十分廣泛，如焊接、噴漆、搬運、裝配等作業(yè)。關節(jié)型機械手又分為水平關節(jié)型和垂直關節(jié)型兩種。 機械手的總體設計方案 四自由液壓機械手，確定其自由度為4。根據實際操作的需要，該機械手在工作中總體結構需要4種運動,本次設計機械手在上下料時手臂具有升降、伸縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。 圖2-1 圓柱坐標機械手的機構運動簡圖 2.2驅動系統(tǒng)設計

20、 常用驅動系統(tǒng)及其特點 工業(yè)常用驅動系統(tǒng)，按動力源分為液壓、氣動和電動三大類。根據需要也可將這三種基本類型組合成復合式的驅動系統(tǒng)。這三類基本驅動系統(tǒng)的主要特點如下： 1）液壓驅動系統(tǒng) 具有動力大、力（或力矩）與慣量比大、快速響應高、易于實現(xiàn)直接驅動、精度高等特點。適合于在承載能力大，慣量大以及在防火防爆的環(huán)境中工作的機械手。 2）氣動驅動系統(tǒng) 具有速度快，系統(tǒng)結構簡單，維修方便、價格低等特點。適用于中、小負荷的機械手中采用。但是因難于實現(xiàn)伺服控制，多用于程序控制的機械手中。 3）電動驅動系統(tǒng) 具有使用方便，噪聲較低，控制靈活等特

21、點。這類驅動系統(tǒng)不需要能量轉換，但大多數(shù)電機后面需安裝精密的傳動機構。 驅動設計方案 在分析了具體工作要求后，綜合考慮各個因素，機械手整體運動需要一定的定位控制精度，因此采用液壓系統(tǒng)驅動來實現(xiàn)。由于手臂采用液壓缸，故整體采用液壓驅動系統(tǒng)，結構簡單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便。 2.3小結 本章簡要的介紹了機械手系統(tǒng)的總體結構、驅動機構兩個方面。至于控制系統(tǒng)和檢測裝置本文不作研究。 3 機械手臂的設計方案 3.1 機械手的技術參數(shù)列表 （1）、設計技術參數(shù): 1、抓重： 2、自由度數(shù)：4個自由度 3、座標型式：圓柱座標 4、手臂最小中心高： 5、手臂運動參數(shù)： 伸縮行

22、程 伸縮速度 升降行程 升降速度 6、定位精度： 7、驅動方式：液壓傳動（低壓系統(tǒng)） 3.2 機械手的手臂結構方案 機械手的垂直手臂（大臂）升降和水平手臂（小臂）的伸縮運動都為直線運動。直線運動的實現(xiàn)一般是氣動傳動，液壓傳動以及電動機驅動滾珠絲杠來實現(xiàn)?？紤]到搬運工件的重量一般，考慮加工工件的質量達10KG，屬于輕型重量，同時考慮到機械手的動態(tài)性能及運動的穩(wěn)定性，安全性，對手臂的剛度有較高的要求。綜合考慮，兩手臂的驅動均選擇液壓驅動方式，通過液壓缸的直接驅動，液壓缸既是驅動元件，又是執(zhí)行運動件，不用再設計另外的執(zhí)行件了；而且液壓缸實現(xiàn)直線運動，控制簡單，易于實現(xiàn)計算機的控制。

23、因為液壓系統(tǒng)能提供很大的驅動力，因此在驅動力和結構的強度都是比較容易實現(xiàn)的，關鍵是機械手運動的穩(wěn)定性和剛度的滿足。因此手臂液壓缸的設計原則是缸的直徑取得大一點（在整體結構允許的情況下），再進行強度的較核。 3.3導向裝置 液壓壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，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，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。 導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，因為

24、本設計控制和具體工作的要求，機械手的手臂的結構不能太大，若僅僅通過增大液壓缸的缸徑來增大剛度，是不能滿足系統(tǒng)剛度要求的。因此，在設計時另外增設了導桿機構，伸縮臂增設了單導向桿，與活塞桿一起構成平行，盡量增加其剛度；升降臂增設了四導向桿，成正四邊形布置。通過增設導桿，能顯著提高機械手的運動剛度和穩(wěn)定性，比較好的解決了結構、穩(wěn)定性的問題。 4 手臂伸縮與升降液壓缸的結構設計 4.1 手臂伸縮液壓缸的結構設計 手臂伸縮液壓缸的驅動力計算 伸縮液壓缸活塞驅動力的計算公式為： (1) 式中 ———手臂運動時，為運動件表面間的摩

25、擦阻力。 ———密封裝置處的摩擦阻力。 ———液壓缸回油腔低壓油液所造成的摩擦阻力。 ———啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。 （1）的計算 經計算 (2) 式中 ———參與運動的零部件所受的總重量。 ———手臂參與運動的零部件的總重量的重心到導向支撐前端的距離 ———導向支撐的長度 ———當量摩擦系數(shù)，其值與導向支撐的截面形狀有關。 對于圓柱面： (3) ———摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時： 鋼對青銅：取 鋼對鑄鐵：取 計算：

26、 導向桿的材料選擇鋼，導向支撐選擇鑄鐵，設， ,導向支撐，帶入數(shù)據得： （2）的計算 經計算 式中 ———由靜止加速到常速的變化量。 ———啟動過程時間，一般取。 手臂啟動速度，啟動時間，，帶入數(shù)據得： （3）的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用型密封圈，當液壓缸工作壓力小于時，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： （4）的計算 一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。 經過以上分析計算，液壓缸的驅動力為： 所以手臂伸縮驅動力 尺寸設計 根據表4-2 標準液壓缸內徑系列（JB826-66），手臂伸縮液壓缸采

27、用內徑=80mm,半徑R=40mm的液壓缸。壁厚10mm，行程600mm，活塞直徑d=40mm。 尺寸校核 經過上面計算，確定了液壓缸的驅動力，因此選擇液壓缸的工作壓力。 圖5-1雙作用液壓缸示意圖 當油進入無桿腔： 當油進入油桿腔： 式中 ———手臂伸縮液壓缸驅動力 ———液壓缸內徑 ———活塞桿直徑 ———液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取 ———液壓缸的工作壓力 帶入數(shù)據得： 所以手臂伸縮液壓缸主要參數(shù)為表4-1所示： 表4-1 手臂伸縮液壓缸主要參數(shù)表 液壓缸內徑D 工作壓力P 活塞桿直徑d 驅動力F 80mm 1

28、MPa 40mm 3580N 4.2 手臂升降液壓缸的結構設計 手臂升降液壓缸驅動力計算 圖5-1 手臂各部件重心位置圖 設 所以 設 所以偏轉力矩 式中 ———重心到回轉軸線的距離(mm) 手臂在的作用下有向下的趨勢，而立柱導套則防止這種趨勢。 由力平衡條件得： 式中 ———摩擦系數(shù) ———立柱導套的長度 由手臂升降驅動力的公式得： （1）的計算 取 又因為 所以 （2）的計算 經計算 式中 ———由靜止加速到常速的變化量。 ———啟動過程時間，一般取。

29、 手臂啟動速度，啟動時間，，升降臂上的總重力G=500N,帶入數(shù)據得： （3）的計算 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設計中，采用型密封圈，當液壓缸工作壓力小于時，液壓缸密封處的總的摩擦阻力為： （4）的計算 一般背壓阻力較小，為了計算方便，將其省略。 經過以上分析計算，液壓缸的驅動力為： 所以 當液壓缸向上驅動時 當液壓缸向下驅動時 尺寸校核 經過上面計算，確定了液壓缸的驅動力，因此選擇液壓缸的工作壓力，為了滿足要求，此時取進行計算。 （1）液壓缸內徑計算： 當油進入無桿腔： 當油進入油桿腔：

30、液壓缸的有效面積： 所以 （無桿腔） (有桿腔) 式中 ———手臂升降液壓缸驅動力 ———液壓缸內徑 ———活塞桿直徑 ———液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取 ———液壓缸的工作壓力 帶入數(shù)據得： (d=0.5D) 根據液壓缸內徑系列（JB826-66），選取液壓缸的內徑為： 根據活塞桿直徑系列（JB826-66）選取活塞桿直徑，壁厚15mm。 所以 所以手臂升降液壓缸主要參數(shù)為表4-2所示： 表4-2 手臂升降液壓缸主要參數(shù)表 工作壓力P 液壓缸內徑D 活塞桿直徑d 驅動力F

31、 1MPa 90mm 45mm 4531N 4.3 手腕的驅動計算 手腕轉動時所需的驅動力矩 手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉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動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。 1.工件2.手部3.手腕 圖4-1手碗回轉時受力狀態(tài) 腕部在回轉時一般需要克服以下三種阻力： 1） 腕部回轉支承處的摩擦力矩 為簡化計算，一般取 2）克服由于工件重心偏置所需的力矩 式中

32、———夾持工件重量。 ———工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離。 3）克服啟動慣性所需的力矩 啟動過程近似等加速運動，根據手腕回轉的角速度及啟動所需時間，按下式計算： (4) 或者根據腕部角速度及啟動過程轉過的角度計算： 式中 ———工件對手腕回轉軸線的轉動慣量。 ———手腕回轉部分對腕部回轉軸線的轉動慣量。 ———手腕回轉過程的角速度 ———啟動過程中所需時間，一般取。 ———啟動過程所轉過的角度。 手腕回轉所需的總的阻力矩相當于上述三項之和，即：

33、 (5) 設抓取一根軸，其直徑，長度，，當手抓夾持在工件中間位置回轉，將手抓、手抓驅動液壓缸和回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，長，半徑為，其所受重力為，液壓缸運行角速度=，加速度時間=0.5s。 圓柱體重力 設偏心距等于5mm，所以。 由于 又因為 所以 即 回轉液壓缸的尺寸計算及校核 表4-3 標準液壓缸內徑系列（JB826-66） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 12

34、5 130 140 160 180 200 250 設定腕部的部分尺寸：根據上表設缸體內孔半徑，外徑選擇,動片寬度,輸出軸半徑。 由于實際回轉液壓缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩，即： 式中 ——手腕回轉時的總的阻力矩（） ——回轉液壓缸工作壓力（） ——缸體內孔半徑（） ——輸出軸半徑（） ——動片寬度（） 所以 所以腕部回轉液壓缸主要參數(shù)為表4-4所示： 表4-4腕部回轉液壓缸主要參數(shù)表 工作壓力P 缸體內徑D 輸出軸半徑r 回轉力矩M 動片寬度b 2MPa 50mm 5mm 21N·m 35mm 4.4手臂回轉

35、液壓缸的尺寸設計與校核 尺寸設計 液壓缸長度設計為,液壓缸內徑為,半徑R=60mm,軸徑半徑,氣缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強, 則力矩： 尺寸校核 測定參與手臂轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況， 質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量： （） 考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數(shù), 總驅動力矩 設計尺寸滿足使用要求。 結論 1.本設計根據任務設計書設計的具有4個自由度的液壓圓柱坐標型機械手，適用于夾取10kg棒料物體。該機械手具有手爪夾取，手腕回轉200°，手臂伸縮和手臂升降等4個動作。每

36、個動作都有相應的獨立液壓缸驅動，各個機構根據緊湊原則，合理安排。 2.歷時近三個月的畢業(yè)設計終于完成，在這這段時間里，我運用大學三年的專業(yè)知識比較成功的完成了本次畢業(yè)設計，在畢業(yè)設計中通過方案論證，理論設計計算，機械結構的設計，工程圖的繪制，設計說明書的撰寫等環(huán)節(jié)的訓練，已經使個人理論水平和實際動手能力有了一次飛躍，鍛煉了個人在設計、分析，動手實踐等方面的能力，同時使所學專業(yè)知識得到一次全面的鞏固和加強。 3.隨著我國經濟的飛速發(fā)展以及科學技術的不斷進步，長三角地區(qū)，開始由以前的勞動密集型向機械化，智能化轉變。由于近年用工荒的日漸嚴重，機械手在工廠中的運用越來越突出，并且發(fā)揮著重要的作用。

37、所以，我覺得機械手在未來制造業(yè)領域會得到越來越廣泛的運用。 致謝 此次畢業(yè)設計能夠順利完成，我得到了很多老師、同學的關心、幫助和支持，在此本人首先向他們表示感謝。在畢業(yè)設過程中，我的指導老師楊洪老師給予很多專業(yè)方面的幫助。在設計前期的準備時，楊老師就非常關注我的選題，指明選題方向，幫助分析題目的可行性和實際中可能出現(xiàn)的問題以及需要注意的事項；在進行方案選擇時，為我指出所需要重點掌握的知識范圍，并幫助我分析相應知識難點的原理，使我的畢業(yè)設計能順利進行。 同時，我也要感謝大學三年所有教過和沒有教過但給我很多幫助的老師，是他們的教導讓我能在這里學到很多的專業(yè)知識，給我以后工作和學習打下

38、了堅實的基礎，是他們的諄諄教誨使我明白了更多為人處事的道理，給我今后的人生足跡烙下更深的印跡，在此我衷心地感謝所有幫助過我的老師。此外，非常感謝許多其他同學，他們很多想法和建議對我啟發(fā)很大。 由于時間和個人知識及能力水平有限，論文中難免會有一些紕漏或錯誤之處，懇請各位老師批評指正。 參考文獻 [1]張福學編．機器人技術及其應用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2000 [2]工業(yè)機械手圖冊編寫組.工業(yè)機械手圖冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1978 [3]朱世福，王宣銀.機器人技術及其應用[M]. 杭州：浙江大學出版社，2005 [4]蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略[J].

39、機器人技術，2001, 4 [5]馮香峰.機器人機構學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991 [6]陳明.機械制造工藝學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005 [7]孫恒 陳作模 葛文杰.機械原理[M].北京:高等教育出版社,2006 [8]周伯英.工業(yè)機器人設計[M].北京:機械工業(yè)出版社,1995 [9]龔振幫. 機械人機械設計.[M]北京：電子工業(yè)出版社，1995 [10]楊黎明.機械零件設計手冊.第一版.國防工業(yè)出版社，1986,12 [11]李允文.工業(yè)機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，1994,8 [12]盧頌峰.機械設計課程設計手冊[M].第一版.機械工業(yè)出版社，1998,4