送料機械手的設(shè)計

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1、送料機械手的設(shè)計 摘要 本課題是為普通車床配套設(shè)計的上料機械手。工業(yè)機械手是工業(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行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，對實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進一步發(fā)展起著重要作用。 本課題對機械手進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計和液壓傳動原理的設(shè)計，確定了機械手的機械系統(tǒng)，液壓驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三個組成部分的設(shè)計方案。介紹了機械手的組成和分類，確定了機械手的主要參數(shù)及設(shè)計方案；對抓取機構(gòu)的各零部件的參數(shù)進行計算，對液壓元件進行選擇，確定電機規(guī)格及機構(gòu)的參數(shù)；對機身機座的電動機和減速器進行選擇，并對螺栓設(shè)計和校核，確定其當(dāng)量應(yīng)力，剪切強度，彎曲

2、強度；確定了機械手的定位方式為機械擋塊定位；對影響機械手定位和穩(wěn)定性的因素進行了相關(guān)分析。 關(guān)鍵詞： 機械手；抓取機構(gòu)；液壓缸 不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 I 目錄 摘要 I 第1章 緒論 1 1.1 課題背景 1 1.1.1 機器人的歷史、現(xiàn)狀 1 1.2 機器人發(fā)展趨勢 3 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 3 第2章 方案設(shè)計及主要參數(shù)的確定 5 2.1 機械手組成和分類 5 2.1.1 機械手的組成 5 2.1.2 機械手分類 6 2.2 方案設(shè)計 6 2.2.1 主要參數(shù)的確定 6 2.2.2 方案設(shè)計 6 2.3 料槽形式及

3、分析動作要求 7 2.3.1 料槽形式 7 2.3.2 動作要求分析 8 2.4 本章小結(jié) 8 第3章 抓取機構(gòu)的設(shè)計 9 3.1 手部設(shè)計計算 9 3.1.1 對手部設(shè)計的要求 9 3.1.2 拉緊裝置原理 10 3.2 腕部設(shè)計計算 13 3.2.1 計算扭矩 13 3.2.2 油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 13 3.2.3 腕部回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸的確定 13 3.3 臂伸縮機構(gòu)設(shè)計 16 3.3.1 計算液壓缸活塞驅(qū)動力 16 3.3.2 根據(jù)驅(qū)動力確定液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸 17 3.3.3 腔流量 17 3.3.4 手臂右腔工作壓力 17 3.4 液壓元件的選

4、擇 18 3.4.1 繪制機構(gòu)工作參數(shù)表 18 3.4.2 由初步計算選液壓泵 18 3.4.3 算腕部擺動缸 18 3.4.4 確定電機規(guī)格 19 3.4.5 油管尺寸的確定 19 3.4.6 管道壁厚的計算 20 3.4.7 油缸容積的確定 20 3.5 本章小結(jié) 20 第4章 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計及草圖 21 4.1 手部抓取缸 21 4.2 腕部擺動液壓回路 21 4.3 小臂伸縮缸液壓回路 22 4.4 總體系統(tǒng)圖 23 4.4.1 工作過程 23 4.4.2 電磁鐵動作順序表 23 4.5 本章小結(jié) 24 第5章 機身機座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 25 5.1 電

5、機的選擇 25 5.1.1 帶動臂部升降的電機 25 5.1.2 帶動機身回轉(zhuǎn)的電機 25 5.2 減速器的選擇 26 5.3 螺柱的設(shè)計與校核 26 5.4 本章小結(jié) 27 第6章 機械手的定位與平穩(wěn) 28 6.1 常用的定位方式 28 6.2 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 28 6.3 機械手的控制 29 6.4 本章小結(jié) 30 結(jié)論 31 參考文獻 32 致謝 33 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。在目錄上點右鍵“更新域”，然后“更新整個目錄”。打印前，不要忘記把上面“Abstract”這一行后加一空行 第1章 緒論 1.1 課題背景

6、 1.1.1 機器人的歷史、現(xiàn)狀 機器人首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機器人。它的結(jié)構(gòu)特點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。 日本是工業(yè)機器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種典型機器人后，大力從事機器人的研究。 目前工業(yè)機器人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。 第二代機器人正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算機控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息進行反饋，使機器人具有感

7、覺機能。 第三代機器人（機器人）則能獨立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System) 和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell) 中的重要一環(huán)。 隨著工業(yè)機器人研究制造和應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，國際性學(xué)術(shù)交流活動十分活躍，歐美各國和其他國家學(xué)術(shù)交流活動開展很多。國際工業(yè)機器人會議ISIR決定每年召開一次會議，討論和研究機器人的發(fā)展及應(yīng)用問題。 目前，工業(yè)機器人主要用于裝卸、搬運、焊接、鑄鍛和熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的

8、需要。使用工業(yè)機器人代替人工操作的，主要是在危險作業(yè)（廣義的）、多粉塵、高溫、噪聲、工作空間狹小等不適于人工作業(yè)的環(huán)境。 在國外機械制造業(yè)中，工業(yè)機器人應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要應(yīng)用于機床、模鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先制訂的作業(yè)程序完成規(guī)定的操作，但還不具備傳感反饋能力，不能應(yīng)付外界的變化。如發(fā)生某些偏離時，就將引起零部件甚至機器人本身的損壞。 隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會的進步，針對于上述各個領(lǐng)域的機器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對系統(tǒng)本身也提出越來越多的要求。制造業(yè)要求機器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場合和多品種、小批量的生產(chǎn)過程。計算

9、機集成制造（CIM）要求機器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。然而，目前商品化的機器人系統(tǒng)多采用封閉結(jié)構(gòu)的專用控制器，一般采用專用計算機作為上層主控計算機，使用專用機器人語言作為離線編程工具，采用專用微處理器，并將控制算法固化在EPROM中，這種專用系統(tǒng)很難（或不可能）集成外部硬件和軟件。修改封閉系統(tǒng)的代價是非常昂貴的，如果不進行重新設(shè)計，多數(shù)情況下技術(shù)上是不可能的。解決這些問題的根本辦法是研究和使用具有開放結(jié)構(gòu)的機器人系統(tǒng)。 美國工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個階段： （1

10、）1963-1967年為試驗定型階段。1963-1966年，萬能自動化公司制造的工業(yè)機器人供用戶做工藝試驗。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機器人定型為1900型。 （2）1968-1970年為實際應(yīng)用階段。這一時期，工業(yè)機器人在美國進入應(yīng)用階段，例如，美國通用汽車公司1968年訂購了68臺工業(yè)機器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動線；又如，美國克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動線上的448臺沖床都用工業(yè)機器人傳遞工件。 （3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國在伊

11、利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國工業(yè)機器人會議。據(jù)當(dāng)時統(tǒng)計，美國大約200臺工業(yè)機器人，工作時間共達60萬小時以上，與此同時，出現(xiàn)了所謂了高級機器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計算機控制50臺機器人的系統(tǒng)。又如，萬能自動公司制成了由25臺機器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動線。麻省理工學(xué)院研制了具有有“手眼”系統(tǒng)的高識別能力微型機器人。 其他國家，如日本、蘇聯(lián)、西歐，大多是從1967，1968年開始以美國的“Versatran”和“Unimate”型機器人為藍本開始進行研制的。就日本來說，1967年，日本豐田織機公司 引進美國的“Versatran”,川崎重工公司引進“

12、Unimate”，并獲得迅速發(fā)展。通過引進技術(shù)、仿制、改造創(chuàng)新。很快研制出國產(chǎn)化機器人，技術(shù)水平很快趕上美國并超過其他國家。經(jīng)過大約10年的實用化時期以后，從1980年開始進入廣泛的普及時代。 我國雖然開始研制工業(yè)機器人僅比日本晚5-6年，但是由于種種原因，工業(yè)機器人技術(shù)的發(fā)展比較慢。目前我國已開始有計劃地從國外引進工業(yè)機器人技術(shù)，通過引進、仿制、改造、創(chuàng)新，工業(yè)機器人將會獲得快速的發(fā)展。 1.2 機器人發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機器人設(shè)計生產(chǎn)能力進一步得到加強，尤其當(dāng)機器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機械制造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。 就目

13、前來看，總的來說現(xiàn)代工業(yè)機器人有以下幾個發(fā)展趨勢： （1）提高運動速度和運動精度，減少重量和占用空間，加速機器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機器人的各個機械模塊、控制模塊、檢測模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機器人； （2）開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場合，如開發(fā)微動機構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機器人，以適應(yīng)不同的場合； （3）研制各類傳感器及檢測元器件，如，觸覺、視覺、聽覺、味覺、和測距傳感器等，用傳感器獲得工作對象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識別、狀態(tài)檢測。并采用專家系統(tǒng)進行問題求解、動作規(guī)劃，同時，越來越多的系統(tǒng)采用微機進行控制。

14、 1.3 本文的主要研究內(nèi)容 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)率水平的提高，人們對產(chǎn)品精度和質(zhì)量的要求越來越來嚴(yán)格。因此，企業(yè)生產(chǎn)線的自動化程度要求越來越高，機械手也越來越來多地被應(yīng)用，工業(yè)機械手已成為多數(shù)企業(yè)生產(chǎn)線上必不可少的設(shè)備。工業(yè)機械手可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度，改善勞動條件、避免人身事故，減少人力，并便于有節(jié)奏地生產(chǎn)，工業(yè)機械手從根本上減輕了工人的勞動強度，提高了生產(chǎn)率水平。因此，有效地應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢，研究的內(nèi)容如下： （1）本次設(shè)計主要研究的是柴油機機體加工線上用多功能機械手，使其完成上料、轉(zhuǎn)位和翻轉(zhuǎn)等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上

15、動作。 （2）研究思路及技術(shù)方案是本工業(yè)機械手機身采用機座式，坐標(biāo)形式為直角坐標(biāo)式，使用液壓驅(qū)動，選用齒輪泵，具有機身旋轉(zhuǎn)、手臂伸縮、手臂升降、腕部轉(zhuǎn)動4個自由度，定位采用機械擋塊定位，定位精度為-0.5～0.5mm，采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。 第2章 方案設(shè)計及主要參數(shù)的確定 2.1 機械手組成和分類 2.1.1 機械手的組成 機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成[4]。 執(zhí)行機構(gòu) 包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設(shè)行走機構(gòu)如2-1 所示。 1 2 5 4 3 1—手部；2—手腕；3—立柱；4—手臂；5—機

16、座 圖2-1機構(gòu)簡圖 驅(qū)動系統(tǒng) 機械手的驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動執(zhí)行運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng) ，它控制驅(qū)動系統(tǒng)，讓執(zhí)行機構(gòu)按規(guī)定的要求進行工作，并檢測其正確與否。一般常見的為電器與電子回路控制，計算機控制系統(tǒng)也不斷增多。 2.1.2 機械手分類 （1）根據(jù)所承擔(dān)的作業(yè)的特點分類如下：承擔(dān)搬運工作的機械手；生產(chǎn)工業(yè)用機械手；通用工業(yè)機械手。 （2）按功能分類如下：專用機械手；示教再現(xiàn)機械手；通用機械手。 （3）按驅(qū)動方式分類如下：液壓傳動機械手；氣壓傳動機械手；機械傳動機械

17、手。 （4）按控制方式分類如下：固定程序機械手；可編程序機械手。 2.2 方案設(shè)計 2.2.1 主要參數(shù)的確定 表2-1主要參數(shù) 抓取量 抓取重量 10kg 抓取長度 250mm 坐標(biāo)形式及自由度 坐標(biāo)形式 柱坐標(biāo)式 自由度 4 工作行程 手臂伸縮行程 500mm 機身旋轉(zhuǎn)范圍 0~180 手臂回轉(zhuǎn)范圍θ -90~90 手部升降行程 500mm 運動速度 伸縮速度 200mm/s 腕部回轉(zhuǎn)速度 45/s 驅(qū)動方式 液壓傳動 定位精度 -0.5～+0.5mm 控制方式 PLC 2.2.2 方案設(shè)計 根據(jù)課題要求及參

18、數(shù)要求，可采用以下多種方案。 （1）直角坐標(biāo)系式，自動線成直線布置，機械手空中行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，這使設(shè)計復(fù)雜程度增加，運動質(zhì)量增大。 （2）機身采用立柱式，機械手臂上下升降，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能，自動線仍呈直線布置。這種方案可以集中設(shè)計液壓，易于實現(xiàn)、油路定點連接，但手臂懸伸量較大。 （3）機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種案具有占地面積小等優(yōu)點，但配線要求較高。 圖2-2機座式機械手 本設(shè)計擬采用第三種方案，如圖2-2所示。這是一種機座式機械

19、手，具有機身旋轉(zhuǎn)(⌒z)手臂伸縮(→x)手臂升降（⌒z）和腕部轉(zhuǎn)動(⌒x)四個自由度。 2.3 料槽形式及分析動作要求 2.3.1 料槽形式 圖2-3機械手安裝簡易圖 由于工件的形狀屬于小型回轉(zhuǎn)體，此種形狀的零件通常采用自重輸送的輸料槽，如圖2-3所示，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，不需要其它動力源和特殊裝置，所以本課題采用此種輸料槽。 2.3.2 動作要求分析 動作一：送 料 動作二：預(yù)夾緊 動作三：手臂上升 動作四：手臂旋轉(zhuǎn) 動作五：小臂伸長 動作六：手腕旋轉(zhuǎn) 預(yù)夾緊 手臂上升

20、 手臂旋轉(zhuǎn) 小臂伸長 手碗旋轉(zhuǎn) 手臂轉(zhuǎn)回 圖2-4要求分析 手臂上升，手臂有沿機座立柱做升降運動，獲得較大的運動行程，升降過程由電動機連接帶動螺柱旋轉(zhuǎn)，由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運動。 手臂的回轉(zhuǎn)由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動了機身的旋轉(zhuǎn)，從而使手臂回轉(zhuǎn)。 手腕回轉(zhuǎn)和小臂伸縮主要由回轉(zhuǎn)缸控制其回轉(zhuǎn)范圍和伸縮運動。 2.4 本章小結(jié) 在本章中主要對機械手的設(shè)計方案的

21、進行分析和主要參數(shù)的確定，具體內(nèi)容如下： （1）介紹了機械手的組成和分類，并講述了各類機械手的用途及作用； （2）根據(jù)課題要求，確定了機械手的主要參數(shù)，并設(shè)計了幾套方案，最后擬用第三套方案； （3）確定了機械手的料槽形式，并對機械手的動作要求進行分析。 第3章 抓取機構(gòu)的設(shè)計 3.1 手部設(shè)計計算 3.1.1 對手部設(shè)計的要求 （1）有適當(dāng)?shù)膴A緊力 手部在工作時，應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。 （2）有足夠的開閉范圍 夾持類手部的

22、手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。 圖3-1 機械手開閉示例簡圖 對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖3-1所示。 （3）力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小 手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個機械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。 （4）手指應(yīng)有一定的強度和剛度 （5）其它要求

23、 因此送料，夾緊機械手，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉史彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。 3.1.2 拉緊裝置原理 （1）拉緊油缸的尺寸設(shè)計 圖3-2 油缸示意圖 如圖3-2所示：油缸右腔停止進油時，彈簧力夾緊工件，油缸右腔進油時松開工件。 液壓缸內(nèi)徑D的計算 初步確定：，手指對工件的夾緊力用式(3-1)計算得 (3-1) 式中 ——手指對工件的夾緊力； ——傳動銷與定位銷的長度； ——連

24、桿長度； ——連桿中心線與夾緊力作用線之垂線的夾角。 根據(jù)設(shè)計要求可知： 實際所采用的液壓缸驅(qū)動力 ，查文獻得公式 (3-2) 式中 ——安全系數(shù)，一般取 1.2～2.0； ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，一般取1.1～2.5； ——手爪的機械傳動效率，一般取0.85～0.9。 由此確定液壓缸直徑 (3-3) 設(shè)夾緊缸的直徑為 ，則活塞杠的直徑?。?，壓力油的工作壓力為，則

25、 根據(jù) GB/T2348-93 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列?。?，則活塞桿直徑為選取為 ，行程； 根據(jù)GB/T2348-93液壓缸活塞桿外徑尺寸系列?。?。由于活塞桿的長度較短，所以不用校核它的強度； 缸壁厚δ的計算 對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算 (3-4) 式中 δ——液壓缸缸筒厚度（mm）； ——試驗壓力（MPa），工作壓力p≤16MPa時，=1.5p；工作壓力p≥16MPa時，=1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為2.5MPa，故=1.5×2.5=3.7

26、5Mpa； D——液壓缸內(nèi)徑（mm）； ——缸材料體的許用應(yīng)力（MPa）： ——缸體材料的抗拉強度（MPa）； n——安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取n=5。 對于鍛鋼 =100～120 MPa；鑄鋼 =100～110 MPa；鋼管 =100～110 MPa；鑄鐵 =60 MPa，現(xiàn)選用鑄鐵材料，=60Mpa。 因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取=10mm。 缸外徑D0及長度l的計算 L≤（20～30），由結(jié)構(gòu)需要來確定，取。 液壓缸行程S的確定 按GB/T2349-1980標(biāo)準(zhǔn)系列確定液壓缸活塞行程為40mm。 （2）運動范圍（速度）

27、伸縮運動： 上升運動： 下降運動： 回轉(zhuǎn)運動： 所以取手部驅(qū)動活塞速度 （3）手部右腔的流量 （3-5） （4）手部工作壓強 （3-6） 3.2 腕部設(shè)計計算 設(shè)計要求：回轉(zhuǎn)，角速度 以最大負荷計算：當(dāng)工件處于水平位置時，回轉(zhuǎn)缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重，長度。如圖3-3所示。 3.2.1 計算扭矩 工件 F

28、 S F 圖3-3 腕部受力簡圖 設(shè)重力集中于離手指中心處，即扭矩為： （3-7） 3.2.2 油缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 帶入公式3-7得 （1）回轉(zhuǎn)缸的摩擦力矩 （估算值） （估算值） （2）回轉(zhuǎn)缸的總摩擦力矩 (3-8) 3.2.3 腕部回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸的確定 （1）液壓缸內(nèi)徑的確定 回

29、轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩M與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系為： (3-9) 式中 ——回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩； ——回轉(zhuǎn)缸的工作壓力； ——缸體內(nèi)壁半徑； ——輸出軸半徑； ——動片寬度。 上述驅(qū)動力矩M與壓力p的關(guān)系式是對應(yīng)與壓力腔的背壓為零時的情況而言的，若低壓腔有一定的背壓，則P為工作壓力與背壓的差值。 由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩M與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系推導(dǎo)得缸體內(nèi)壁半徑為； 圖3-4手腕回轉(zhuǎn)葉片 其中輸出軸半徑r由結(jié)構(gòu)設(shè)計定為，查表按標(biāo)準(zhǔn)系列圓整，

30、取，即回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑為，回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定，如圖3-4所示，由方案設(shè)計可知，腕部回轉(zhuǎn)行程0～180○。 （2）液壓缸壁厚δ的計算 對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算： （3-10） 式中 δ——液壓缸缸筒厚度（mm）； ——試驗壓力（MPa），工作壓力p≤16MPa時，=1.5p；工作壓力p≥16MPa時，=1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為2.5MPa，故=1.5×2.5=3.75Mpa； D——液壓缸內(nèi)徑（mm）； ——缸材料體的許用應(yīng)力（MPa）：

31、 （3-11） ——缸體材料的抗拉強度（MPa）； n——安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取n=5。 對于鍛鋼 =100～120 MPa；鑄鋼 =100～110 MPa；鋼管 =100～110 MPa；鑄鐵 =60 Mpa?，F(xiàn)選用鑄鐵材料，=60Mpa。 將以知數(shù)據(jù)代入上式得 因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取。 液壓缸外徑及寬度b的計算 b≤（20～30），由結(jié)構(gòu)需要確定，取b=30mm。 回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定 由方案設(shè)計可知，腕部回轉(zhuǎn)行程0～180○，其結(jié)構(gòu)形式見圖3-2 由公式 (3-12

32、) 式中 ——葉片厚度，?。? ——擺動缸內(nèi)徑，?。? ——轉(zhuǎn)軸直徑，??； ——回轉(zhuǎn)缸的工作壓力。 上述驅(qū)動力矩與壓力的關(guān)系式是對應(yīng)與壓力腔的背壓為零時的情況而言的，若低壓腔有一定的背壓，則P為工作壓力與背壓的差值。 由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩與回轉(zhuǎn)缸的壓力的關(guān)系推導(dǎo)回轉(zhuǎn)缸的工作壓力為： 又因為 所以 式中 ——流量； ——回轉(zhuǎn)缸的角速度； ——葉片厚度，這里??； ——擺動缸內(nèi)徑, 這里??； ——轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取。 3.3 臂

33、伸縮機構(gòu)設(shè)計 手臂的伸縮速度為，行程。 3.3.1 計算液壓缸活塞驅(qū)動力 （3-13） 式中 ——手臂運動時的摩擦阻力； ——起動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。 （1）摩擦阻力計算 式中 ——摩擦系數(shù)（鋼對鑄鐵：取，這里取0.3）； ——手臂伸縮部件的總重量（含工件的質(zhì)量） （2）起動或制動時，活塞桿所受平均慣性力計算 式中 ——手臂伸縮部件的總重力（包括工件重量）（）； ——油靜止加速到常速的變化量（）,??； ——起動過程時間（），一般取 0.01～0.5

34、，對輕載低速運動部件取較小值，對重載高速運動部件取較大值（這里取0.4）。 所以所需的總的驅(qū)動力為 3.3.2 根據(jù)驅(qū)動力確定液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸 （3-.14） 式中 ——液壓缸直徑,其中； ——載荷率 取0 .7～0.85； ——液壓缸的工作壓力 取； ——液壓缸驅(qū)動力。 根據(jù) GB/T2348-93 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列?。海? 根據(jù)GB/T2348-93 液壓缸活塞桿外徑尺寸系列?。?,行程為。 3.3.3 腔流量 由公式（3-5）得： 式中 Q——流量（）

35、 V——活塞桿速度，取。 3.3.4 手臂右腔工作壓力 由公式（3-6） 得： (3-15) 式中 ——系統(tǒng)總的驅(qū)動力。 所以代入公式（3.12）得： 3.4 液壓元件的選擇 3.4.1 繪制機構(gòu)工作參數(shù)表 機構(gòu)名稱 工作速度 行程 工作壓力 流量 手部抓緊 腕部回轉(zhuǎn) 手臂伸縮 表3-1機構(gòu)工作參數(shù) 3.4.2 由初步計算選液壓泵 驗所需液壓最高壓力： 所需液壓最大流量： 選取CB-D型液壓泵（齒

36、輪泵）；此泵工作壓力為，轉(zhuǎn)速為，工作流量Q在之間，可以滿足需要。 3.4.3 算腕部擺動缸 （3-16） （3-17） 式中 ——機械效率?。? 0.85～0.9 ——容積效率?。? 0.7～0.95 所以代入公式（3-16）得： 代入公式（3-17）得： =0.673rad/s 因此，取腕部回轉(zhuǎn)油缸工作壓力 ；流量 圓整其他缸的數(shù)值： 手部抓取缸工作壓力 ；流量 小臂伸縮缸工作壓力 ；流量 3.4.4 確定電機規(guī)格 液壓泵選取CB-D型液壓泵，額定壓力，工作流量在之間。選取

37、為額定流量的泵， 因此： （3-18） 式中 ——電動機功率（）； ——液壓泵最大工作壓力（）； ——液壓泵的輸出流量（）； ——液壓泵總效率，由液壓泵產(chǎn)品樣本查出， 所以代入公式（3-18）得： 選取電動機JQZ-61-2型電動機，額定功率，轉(zhuǎn)速為。 3.4.5 油管尺寸的確定 管道內(nèi)徑計算 （3-19） 表3-2 允許流速推薦表 油液流經(jīng)的管道 推薦流速（） 液壓泵吸油管道 ，一般常取以下 液壓系統(tǒng)壓油管道 ，壓力高，管道短粘度小取大值 液壓系統(tǒng)回

38、油管道 式中 Q——通過管道內(nèi)的流量（），； V——管內(nèi)允許流速（），取，見表3-2。 根據(jù)參考文獻3中表37.9-1，選取管道內(nèi)徑的銅管。 3.4.6 管道壁厚的計算 （3-20） 式中 工作壓力（） 管道內(nèi)徑（） 許用應(yīng)力（），對于鋼管（抗拉強度 安全系數(shù)，當(dāng)時，；當(dāng)時，；當(dāng)時，）。對于銅管。 所以 ，管道的外徑，長度。 3.4.7 油缸容積的確定 對油缸容積初步確定

39、 （3-21） 已知所選泵的總流量為，這樣液壓泵每分鐘排出壓力油的體積為，取，算出有效容積為 3.5 本章小結(jié) 本章主要對機械手的抓取機構(gòu)進行了相關(guān)的研究，具體內(nèi)容如下： （1）闡述了對手部的設(shè)計要求，并對拉緊油缸的尺寸進行相關(guān)的設(shè)計計算； （2）對腕部進行設(shè)計計算，計算各扭矩，并確定了腕部回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸； （3）對臂伸機構(gòu)進行設(shè)計計算，計算驅(qū)動力，并確定了液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸； （4）對液壓元件進行選擇，確定電機規(guī)格及機構(gòu)的參數(shù)。 第4章 液壓系統(tǒng)原理設(shè)計及草圖 4.1 手部抓取缸 （1）手部抓取缸液壓原理圖如圖4-1所示[5]； （2）

40、泵的供油壓力P取10Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q=1300ml/s。 因此，需裝圖4-1中所示的調(diào)速閥，流量定為7.2L/min，工作壓力P=2Mpa。 采用：YF-B10B溢流閥 2FRM5-20/102調(diào)速閥 23E1-10B二位三通閥 圖 4-1手部抓取缸液壓原理圖 4.2 腕部擺動液壓回路 （1）腕部擺動缸液壓原理圖如圖4-2所示 （2）工作壓力P=1Mpa 流量Q=35ml/s 采用 2FRM5-20/102調(diào)速閥 34E1-10B 換向閥 YF-B10B

41、 溢流閥 圖 4-2 腕部擺動液壓回路 4.3 小臂伸縮缸液壓回路 圖 4-3小臂伸縮缸液壓回路 （1）小臂伸縮缸液壓原理圖如圖4-3所示 （2）工作壓力P=0.25Mpa 流量Q=1000ml/s 采用YF-B10B 溢流閥 2FRM5-20/102 調(diào)速閥 23E1-10B二位三通閥 4.4 總體系統(tǒng)圖 如圖4-4所示為液壓傳動系統(tǒng)的總體系統(tǒng)圖 圖4-4總體系統(tǒng)圖 4.4.1 工作過程 小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉(zhuǎn)→小臂回轉(zhuǎn)→小臂收

42、縮→手部放松 4.4.2 電磁鐵動作順序表 液壓總體系統(tǒng)的電磁鐵動作順序如表4-1 表 4-1電磁鐵動作順序表 元件 動作 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 小臂伸長 － + + - - 手部抓緊 － + - - - 腕部回轉(zhuǎn) － + - + - 小臂收縮 － - - - - 手部放松 － - + - - 卸荷 ＋ ± ± ± ± 4.5 本章小結(jié) 本章主要對抓取機構(gòu)各部分的液壓系統(tǒng)原理進行了相關(guān)的研究，并確定了相關(guān)的草圖，具體內(nèi)容如下： （1）對抓取機

43、構(gòu)各部分的液壓系統(tǒng)原理進行了相關(guān)的研究，擬定各部分的原理草圖； （2）確定了抓取機構(gòu)的工作過程和電磁閥動作順序表。 第5章 機身機座的結(jié)構(gòu)設(shè)計 5.1 電機的選擇 5.1.1 帶動臂部升降的電機 初選上升速度 V=100mm/s P=6KW 所以n=（100/6）×60=1000轉(zhuǎn)/分 選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。 型號 額定功率KW 滿載時 堵轉(zhuǎn)電流 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 電流A

44、轉(zhuǎn)速r/min 效率% 功率因素 額定電流 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 Y90S-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2 表5-1 Y90S-4電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示： 5.1.2 帶動機身回轉(zhuǎn)的電機 初選轉(zhuǎn)速 W=60o/s n=1/6轉(zhuǎn)/秒 =10轉(zhuǎn)/分 由于齒輪i=3，減速器i=30，所以n=10×3×30=900轉(zhuǎn)/分 選擇Y90L-6型籠型異步電動機 電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。如表5-2

45、Y90S-6電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示： 型號 額定功率KW 滿載時 堵轉(zhuǎn)電流 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 電流A 轉(zhuǎn)速r/min 效率% 功率因素 額定電流 額定轉(zhuǎn)矩 額定轉(zhuǎn)矩 Y90S-6 1.1 3.2 910 73.5 0.72 6.0 2.0 2.0 表5-2 Y90L-6電動機技術(shù) 5.2 減速器的選擇 初選WD80型圓柱蝸桿減速器，WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。 蝸桿的材料38siMnMo調(diào)質(zhì)，蝸輪的材料為ZQA19-4，中心矩a=80，傳動比I=30，傳動慣量0.265×10ˉ3kg·m

46、2。 5.3 螺柱的設(shè)計與校核 螺桿的材料選擇：從經(jīng)濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵[6]。 表5-3 螺柱設(shè)計參數(shù) 螺距螺紋工作高度P 6mm 螺紋工作高度h 3mm 螺紋牙底寬度b 3.9mm 螺桿強度[σ] 30~50Mpa 螺紋牙剪切[τ] 40 Mpa 彎曲[σb] 45~55 Mpa (1)當(dāng)量應(yīng)力 (5-2) 式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm； [σ]——螺桿材料的許用應(yīng)力。 所以代入公式（5-5）得： 合格 (2)剪切強度 Z=H/P=160/6 （旋

47、合圈數(shù)） （5-3） τ=F/πd1bz （5-4） =0.206Mpa＜[τ]=40Mpa 合格 (3)彎曲強度 σb=3Fh/πd1b2z （5-5） =0.48Mpa＜[σ]=45Mpa 合格 5.4 本章小結(jié) 本章主要對機械手的機身機座的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)

48、計，具體內(nèi)容如下： （1） 對帶動臂部升降和帶動機身回轉(zhuǎn)的電機進行了選擇； （2） 對減速器的選擇，初選WD80型圓柱蝸桿減速器； （3）對螺栓的設(shè)計和校核，確定了當(dāng)量應(yīng)力，剪切強度，彎曲強度。 第6章 機械手的定位與平穩(wěn) 6.1 常用的定位方式 機械擋塊定位是在行程終點設(shè)置機械擋塊。當(dāng)機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。 若定位前已減速，定位時驅(qū)動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復(fù)精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關(guān)閉驅(qū)動油路而去掉工作壓力，這時機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低。 6.2 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 機械手能否

49、準(zhǔn)確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下[7]： （1）定位方式 不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關(guān)。 定位速度 定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動系統(tǒng)使運動部件適時減速。 （2）精度 機械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對定位精度有直接影響。 （3）剛度 機械手本身的

50、結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時，因易產(chǎn)生振動，定位精度一般較低。 （4）運動件的重量 運動件的重量包括機械手本身的重量和被抓物的重量。 運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設(shè)計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。 （5）驅(qū)動源 液壓、氣壓的壓力波動及電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機械手的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)油溫措施。如用蓄能器穩(wěn)定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時，用溫度、壓力補償流量控制閥控制。 （6）機械手運動的緩沖裝置 緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種形式。內(nèi)緩沖形式有

51、油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機械元件和液壓緩沖器。內(nèi)緩沖的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較龐大。 （7）控制系統(tǒng) 開關(guān)控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關(guān)。 本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位。 6.3 機械手的控制 控制系統(tǒng)是機械手的重要組成部分。在某種意義上講，控制系統(tǒng)起著與人腦相似的作用。機械手的手部、腕部、臂部等的動作以及相關(guān)機械的

52、協(xié)調(diào)動作都是通過控制系統(tǒng)來實現(xiàn)的。主要控制內(nèi)容有動作的順序，動作的位置與路徑、動作的時間。 機械手要用來代替人完成某些操作，通常需要具有圖6-1所示的機能。 實現(xiàn)上述各種機能的控制方式有多種多樣。機械手的程序控制方式可分為兩大類，即固定程序控制方式和可變程序控制方式。 本課題所用的是固定程序控制類別的機械式控制。 常用凸輪和杠桿機構(gòu)來控制機械手的動作順序、時間和速度。一般常與驅(qū)動機構(gòu)并用，因此結(jié)構(gòu)簡單，維修方便，壽命較長，工作比較可靠。適用于控制程序步數(shù)少的專用機械手。 裝卸工

53、件 裝別識別 控制機能 動作控制機能 示教機能 動作順序控制 運動控制機能 檢測、識別機能 操作機能 圖6-1 機械手的控制機能 6.4 本章小結(jié) 本章對機械手的定位和穩(wěn)定性進行了相關(guān)的分析，具體內(nèi)容如下： （1）確定了機械手的常用的定位方式為機械擋塊定位是在行程終點設(shè)置機械擋塊； （2） 對影響機械手定位和穩(wěn)定性的因素進行了相關(guān)分析； （3）機械手的緩沖裝置進行了相關(guān)的研究，確定了相關(guān)的參數(shù)。 千萬不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印。“結(jié)論”以前

54、的所有正文內(nèi)容都要編寫在此行之前。 33 - - 結(jié)論 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展以及自動生產(chǎn)線的需要，機械手的應(yīng)用越來越廣，送料機械手在一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中扮演著舉足輕重的角色，因此本次對送料機械手的設(shè)計工作在機械手研制領(lǐng)域有著積極的意義。設(shè)計任務(wù)包括機械手的機械系統(tǒng)，液壓驅(qū)動系統(tǒng)，控制系統(tǒng)三個組成部分的設(shè)計工作。 （1）介紹機械手的組成和分類，確定了機械手的主要參數(shù)及設(shè)計方案； （2）對抓取機構(gòu)的各零部件的參數(shù)進行計算，對液壓元件進行選擇，確定電機規(guī)格及機構(gòu)的參數(shù)； （3）對機身機座的電動機和減速器進行選擇，并對螺栓設(shè)計和校核，確定其當(dāng)量應(yīng)力，剪切強度，彎曲強度； （4）確定了

55、機械手的定位方式為機械擋塊定位；對影響機械手定位和穩(wěn)定性的因素進行了相關(guān)分析。 本課題還存在以下的不足之處，需進一步完善： 如機身采用機座式，配線要求較高，應(yīng)該綜合考慮生產(chǎn)需求，降低生產(chǎn)成本。 參考文獻 [1] 徐灝．機械設(shè)計手冊3.機械工業(yè)出版社，1991. [2] 徐灝．機械設(shè)計手冊4.機械工業(yè)出版社，1991. [3] 徐灝．機械設(shè)計手冊5.機械工業(yè)出版社，1991. [4] 工業(yè)機械手編寫組.工業(yè)機械手-機械結(jié)構(gòu)上.上海科學(xué)技術(shù)出版社,1992. [5] 劉延俊，關(guān)浩，周德繁． 液壓與氣壓傳動．高等教育出版社，2007：141-165 [6] 胡家秀．

56、機械設(shè)計基礎(chǔ).``中國勞動出版社，2008：13-34 [7] 魯昌國，何冰強．機械制造技術(shù)．大連理工大學(xué)出版社，2009：72-124 [8] 曾令宜．AutoCAD 2006 工程繪圖教程．高等教育出版社，2006：57-168 致謝 經(jīng)歷了一個學(xué)期的艱苦奮戰(zhàn)之后，我終于完成了這次畢業(yè)設(shè)計。本次設(shè)計是我們在學(xué)完三年工科課程后進行的一次綜合性的、系統(tǒng)性的、理論聯(lián)系實際的設(shè)計活動，我認(rèn)為自己從中獲益匪淺。 通過這次設(shè)計使我的專業(yè)知識得到了鞏固，設(shè)計能力有所提高。設(shè)計中我還使用了AUTOCAD，等電腦繪圖軟件，使我運用電腦繪圖能力也得到了很大的提高。同時，也進一步加強了我嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的良好習(xí)慣，這將為我以后的工程技術(shù)人員道路打下良好的基礎(chǔ)。 在這次設(shè)計中，我得到了楊東宇老師的的悉心關(guān)懷和幫助。在此，向她致以深深的謝意。還要感謝我的同學(xué)和朋友，他們幫我解決了許多的難題，并為我的設(shè)計提出了許多的寶貴意見。 最后，衷心感謝在百忙之中抽出時間審閱本論文的專家、教授。由于本人知識水平有限，文中不免有不妥之處，敬請各位專家、教授不吝批評和指正