液壓機(jī)械手臂設(shè)計(jì)完整說明書

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. . 編 號 無錫太湖學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 題目： 液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì) 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： （職稱：副教授 ） 2013 年 5 月 25 日 . . 無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 誠 信 承 諾 書 本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè) 設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì) （論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。 班 級： 學(xué) 號： 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 . . . . 無 錫 太 湖 學(xué) 院 信 機(jī) 系 機(jī) 械 工 程 及 自 動 化 專 業(yè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 論 文 任 務(wù) 書 一、題目及專題： 1、題目 液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì) 2、專題 二、課題來源及選題依據(jù) 本課題是設(shè)計(jì)基于液壓系統(tǒng)的機(jī)械手。 液壓機(jī)械手是一種模仿人體上肢部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件或者 握持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)設(shè)備，它可以代替手的繁重勞動，改善勞動 條件，提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平。有著廣闊的發(fā)展前途。本課題通過機(jī) 械手進(jìn)行液壓傳動原理設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手代替人力進(jìn)行工作。機(jī)械工業(yè)是國 民的裝備部，是為國民競技提供裝備和為人民生活提供耐用消費(fèi)品的產(chǎn)業(yè)。 機(jī)械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水品是衡量國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。 . . 三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求： 1、收集相關(guān)資料，分析自己完成本課題還存在哪些方面的困難。 2、選定自己適合的制圖軟件，對選定的工具進(jìn)行學(xué)習(xí)和具體實(shí)踐。 3、對驅(qū)動油路進(jìn)行仔細(xì)的研究，了解液壓驅(qū)動原理，繪制油路圖。 4、機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析，根據(jù)要求設(shè)計(jì)出合理輕便的機(jī)械手。 5、模擬調(diào)試后對整個液壓機(jī)械手進(jìn)行完善。 四、接受任務(wù)學(xué)生： 班 姓名 五、開始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5 月 25 日 六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問）： 指導(dǎo)教師 簽名 簽名 簽名 教 研 室 主 任 〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名 系主任 簽名 2012 年 11 月 12 日 . . 摘 要 液壓機(jī)械手是模仿人的手部動作，按照給定的程序、軌跡通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)抓取和 搬運(yùn)操作的自動裝置。 本次設(shè)計(jì)的液壓傳動機(jī)械手根據(jù)規(guī)定的動作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本 知識和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識，完成對機(jī)械手的設(shè)計(jì)，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng) 圖、 。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機(jī)械器件組成；在液壓傳動機(jī)構(gòu)中， 機(jī)械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，立柱的轉(zhuǎn)動采用齒條油缸， 機(jī)械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動油缸；通過控制電磁閥的開關(guān)來 控制機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)的動作循環(huán)，當(dāng)按下連續(xù)停止按鈕后，機(jī)械手在完成一個動作循環(huán) 后停止運(yùn)動。 本設(shè)計(jì)擬開發(fā)的上料機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫 和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，可抓取重量較大的工件?？梢愿纳苿趧訔l件，避免人身事故。 可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。 關(guān)鍵詞： 機(jī)械手；液壓；控制回路 . . Abstract Hydraulic robot mimic is the hand movements which in accordance with a given program, the path through the hydraulic system to achieve automatic device to capture and handling operations. The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design， and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ； through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign. The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger work pieces . Can improve working conditions, avoid personal accident. Can reduce manpower, and to facilitate the there are-paced the production of. Keywords： Manipulator ；Hydraulic ；Control Loop . . 目 錄 摘 要 ...........................................................................................................................................III ABSTRACT ..................................................................................................................................IV 目 錄 ............................................................................................................................................V 1 緒論 .............................................................................................................................................1 1.1 機(jī)械手的基本概念的研究內(nèi)容和意義 ...............................................................................1 1.1.1 機(jī)械手的基本概念 ........................................................................................................1 1.1.2 機(jī)械手的研究意義 ........................................................................................................1 1.2 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 ...................................................................................................1 1.2.1 世界機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r ..................................................................................................1 1.2.2 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 ................................................................................................2 1.3 本課題達(dá)到的要求 .............................................................................................................2 2 液壓機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì) .............................................................................................4 2.1 臂力的確定 ...........................................................................................................................4 2.2 確定工作范圍 .......................................................................................................................4 2.3 確定運(yùn)動速度 .......................................................................................................................4 2.4 手臂的配置形式 ...................................................................................................................4 2.5 位置檢測裝置的選擇 ...........................................................................................................5 2.6 驅(qū)動與控制方式的選擇 .......................................................................................................5 2.7 本章小結(jié) ...............................................................................................................................5 3 手部結(jié)構(gòu) .....................................................................................................................................7 3.1 概述 .......................................................................................................................................7 3.2 設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮的幾個問題 ...................................................................................................7 3.3 驅(qū)動力的計(jì)算 .......................................................................................................................8 3.4 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 ...............................................................................9 3.5 本章小結(jié) ...............................................................................................................................9 4 腕部的結(jié)構(gòu) ...............................................................................................................................11 4.1 概述 .....................................................................................................................................11 4.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式 .................................................................................................................11 4.3 手腕驅(qū)動力矩的計(jì)算 .........................................................................................................11 4.4 本章小結(jié) .............................................................................................................................13 5 臂部的結(jié)構(gòu) ...............................................................................................................................14 5.1 臂部概述 .............................................................................................................................14 5.2 手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu) .............................................................................................................14 5.2.1 手臂伸縮運(yùn)動 ..............................................................................................................14 5.2.2 導(dǎo)向裝置 ......................................................................................................................15 5.2.3 手臂的升降運(yùn)動 ..........................................................................................................16 5.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動 .....................................................................................................................17 . . 5.4 手臂的橫向移動 .................................................................................................................17 5.5 臂部運(yùn)動驅(qū)動力計(jì)算 .........................................................................................................17 5.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動驅(qū)動力的計(jì)算 ..................................................................................17 5.5.2 臂垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力的計(jì)算 ..................................................................................18 5.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩的計(jì)算 ..................................................................................18 6 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .......................................................................................................................20 6.1 液壓系統(tǒng)簡介 .....................................................................................................................20 6.2 液壓系統(tǒng)的組成 .................................................................................................................20 6.3 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路 .............................................................................................20 6.3.1 壓力控制回路 ..............................................................................................................20 6.3.2 速度控制回路 ..............................................................................................................21 6.3.3 方向控制回路 ..............................................................................................................21 6.4 機(jī)械手的液壓傳動系統(tǒng) .....................................................................................................21 6.4.1 上料機(jī)械手的動作順序 ..............................................................................................21 6.4.2 自動上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理介紹 ..........................................................................22 6.5 機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡單計(jì)算 ............................................................................................24 6.6 雙作用單桿活塞油缸 ........................................................................................................24 6.7 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸） ............................................................................27 6.7.3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 ..........................................................................................................27 6.7.4 油泵的選擇 ..................................................................................................................28 6.7.5 確定油泵電動機(jī)功率 N ..............................................................................................29 7 結(jié) 論 .......................................................................................................................................30 致 謝 .................................................................................................................................31 附 錄 ...........................................................................................................................................33 . . 1 緒論 1.1 機(jī)械手的基本概念的研究內(nèi)容和意義 1.1.1 機(jī)械手的基本概念 液壓機(jī)械手，從本質(zhì)上來說是屬于工業(yè)機(jī)器人的范圍的，機(jī)器人問題是最近幾十年 的熱門研究課題。它包括了機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)、電子工程和自動控制以及人工智能 等多種學(xué)科，體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)的最新成就，是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的范圍之 一，也是我國科技界跟蹤國際高技術(shù)發(fā)展的重要課題。 “機(jī)械手” （Machanical Hand）：大部分是指附屬于主機(jī)、程序固定的自動抓取、操 作裝置（我國一般稱作機(jī)械手或?qū)Ｓ脵C(jī)械手） 。比如自動生產(chǎn)線、自動機(jī)的上下給料系統(tǒng)， 加工中心自動化裝置 [1]。 1.1.2 機(jī)械手的研究意義 1.可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度。 應(yīng)用機(jī)械手有利于在自動生產(chǎn)線中實(shí)現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以 及機(jī)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。 2.可以改善勞動條件，避免人身事故。 3.可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。 4.用液壓系統(tǒng)來控制機(jī)械手，比一般的機(jī)械控制具有更好的穩(wěn)定性，并且控制的精確 度更高。 5.運(yùn)用機(jī)械手可以實(shí)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。 1.2 機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 機(jī)械手的迅速發(fā)展是因?yàn)樗姆e極作用正逐漸被人們所認(rèn)可；第一，它能部分代替 體力人工操作；第二，它可以按照生產(chǎn)工藝的要求，按照一定的程序，時間和位置來完 成工作的傳送和裝卸；第三，它能操作必要的器具進(jìn)行焊接和裝配。從而改善人們的勞 動條件，顯著的提高勞動生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動化的步伐。因此，各 先進(jìn)工業(yè)國家都對此十分重視，投入大量的人力物力進(jìn)行研究和應(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(jī)械工業(yè)和鐵路工業(yè)部門的重視 [2]。 1.2.1 世界機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r 國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢： （1）. 工業(yè)機(jī)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(jī)價格不斷下降。 （2） ．機(jī)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(jī)、減速機(jī)、 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(jī)器人整機(jī)；國外已有模 塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。 （3） ．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于 PC 機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng) 絡(luò)化；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。 . . （4） ．機(jī)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(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，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(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制。 （6） ．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與 機(jī)器人的人機(jī)交互控制，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。 (7)．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從 94 年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床” 以來，這種新型裝置 已成為國際研究的熱點(diǎn)之一，紛紛探索開拓其實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域 [3]。 1.2.2 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展 有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人 不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能 夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益， 而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。 我國的工業(yè)機(jī)器人從 80 年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過 “七五” 、 “八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系 統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā) 出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺套噴漆機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器 人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求， “一客戶，一次重新設(shè)計(jì)” ，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(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系統(tǒng)化、通用化、?；O(shè)計(jì)，積極 推進(jìn)使機(jī)器人產(chǎn)業(yè)鏈化。 我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計(jì)劃的支持下，也取得了不少成果。其中 最為突出的是水下機(jī)器人，6000 米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直 接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)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(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、 機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成 績的基礎(chǔ)上，有重點(diǎn)地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實(shí)用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在 “十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中 [4]。 1.3 本課題達(dá)到的要求 本次設(shè)計(jì)的液壓傳動機(jī)械手根據(jù)規(guī)定的動作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本 知識和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)知識，完成對機(jī)械手的設(shè)計(jì)，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng) 圖。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機(jī)械器件組成；在液壓傳動機(jī)構(gòu)中， . . 機(jī)械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，立柱的轉(zhuǎn)動采用齒條油缸， 機(jī)械手的升降采用升降油缸，立柱的橫采用橫向移動油缸機(jī)械手在完成一個動作循環(huán)后 停止運(yùn)動。 本論文內(nèi)容包括以下幾個方面： a.對所設(shè)計(jì)的液壓機(jī)械手機(jī)械部分進(jìn)行闡述，并說明其原理； b.分析實(shí)現(xiàn)其功能應(yīng)有的動作； c.對 PLC 選型，給出系統(tǒng)的硬件連接圖； d.繪制電路原理圖、接線圖畫出設(shè)計(jì)流程圖。 . . 2 液壓機(jī)械手主要結(jié)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì) 2.1 臂力的確定 目前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，我國目前機(jī)器人最小臂力為 0.15N，最大為 8000N。本課題設(shè)計(jì)的液壓機(jī)械手的臂力為 N 臂 =1650（N） ，安全系數(shù)在 1.5~3，本機(jī)械 手采取安全系數(shù) 2。 定位精度為 1mm。 2.2 確定工作范圍 機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動的軌跡來確定。一個操作運(yùn)動的軌跡需 要幾個動作合成，在工作范圍被確定的情況下，可將軌跡分解成幾個單個的動作，由多 個動作的行程來確定機(jī)械手的最大行程。確定本機(jī)械手的動作范圍如下： 手臂伸長量 150mm 手腕回轉(zhuǎn)角度115 手臂回轉(zhuǎn)角度115 手臂升降行程 170mm 手臂水平運(yùn)動行程 100mm 2.3 確定運(yùn)動速度 機(jī)械手各動作的最大行程確定之后，可按照生產(chǎn)需要來分配每個動作的工作時間， 從而確定各動作的運(yùn)動速度。液壓機(jī)械手要完成整個工作過程，需完成夾緊工件、手臂 升降、伸縮，平移等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該預(yù)訂設(shè)定的時間內(nèi)完成，具體時間 的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)進(jìn)行計(jì)算，對分配的方案進(jìn)行比較，才能確 定。 機(jī)械手的總工作哦時間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進(jìn)行，要按時間 長的計(jì)算，分配各動作時間應(yīng)考慮以下要求： ① 給定的運(yùn)動時間應(yīng)大于液壓元件的執(zhí)行時間； ② 在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運(yùn)動速度。機(jī)械手的運(yùn)動速 度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以 確定。 ③ 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進(jìn)行。采取相應(yīng)的措施來 驅(qū)動系統(tǒng)，來保證運(yùn)轉(zhuǎn)動作的同步。 液壓抓取機(jī)械手的各運(yùn)動速度如下： 手腕回轉(zhuǎn)速度 /s40??腕 回V 手臂伸縮速度 5m臂 伸v 手臂回轉(zhuǎn)速度 /?臂 回 手臂升降速度 s臂 伸 立柱水平運(yùn)動速度 0/?住 移 手指夾緊油缸的運(yùn)動速度 5夾v . . 2.4 手臂的配置形式 機(jī)械手的手臂配置形式?jīng)Q定了它的總體布局。運(yùn)動要求、操作環(huán)境、工作對象的不 同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用固定底座式。工業(yè)機(jī)器人大多采用基座 式機(jī)械手，機(jī)座上可以裝上獨(dú)立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行 走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種 形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多 為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動，工作范圍較大 [5]。 2.5 位置檢測裝置的選擇 機(jī)械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機(jī)械手采用 行程開關(guān)式。利用行程開關(guān)檢測位置，精度低， ；所以一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機(jī)械 手中，用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊檢測定位既精度高又簡單實(shí)用可靠，故應(yīng)用也是最多的。 2.6 驅(qū)動與控制方式的選擇 機(jī)械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點(diǎn)結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇的，要盡量 選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。 控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專門的控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 驅(qū)動方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動 [6]。 參考《工業(yè)機(jī)器人》表 9-6 和表 9-7，按照設(shè)計(jì)要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動方式為液 壓驅(qū)動，控制方式為固定程序的 PLC 控制。 總裝配圖如下： 圖 2.1 總裝圖 . . 2.7 本章小結(jié) 本章主要確定了機(jī)械手的臂力范圍，工作范圍，運(yùn)動速度和手臂的配置形式。確定 本機(jī)械手的檢測裝置和驅(qū)動控制方式，是系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。 3 手部結(jié)構(gòu) 3.1 概述 手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模 仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀 也不象人的手指、 ，它沒有手掌，只有自身的運(yùn)動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根 據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè) 計(jì)各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手 部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、 斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。 3.2 設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮的幾個問題 ① 應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 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。 ② 手指間應(yīng)有一定的開閉角 兩個手指張開與閉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 保證工件能順利進(jìn)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。 ③ 應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 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。 ④ 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力 和振動的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡 單緊湊，自重輕。 ⑤ 應(yīng)考慮被抓取對象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。 . . 3.3 驅(qū)動力的計(jì)算 1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座 圖 3.1 杠桿式手部受力分析 如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿 3 作用下銷軸 2 向上的拉力為 P，并通過銷軸中 心 O 點(diǎn)，兩手指 1 的滑槽對銷軸的反作用力為 P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線 OO1 和 OO2 并指向 O 點(diǎn)，P1 和 P2 的延長線交 O1O2 于 A 及 B，由于△O1OA 和△ O2OA 均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α 。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即 , ;0??Fx21p?0Fy?cos （3.1）/ 銷軸對手指的作用力為 p1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力） ，假想握 力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以 N 表 示。由手指的力矩平衡條件，即 得0)(1?FmNbhp 因?yàn)? ?cos/a 所以 abp/)(cos22?? （3.2） 式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對稱中心線的距離（毫米） 。 α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動力 P 一定時，α 角增大則握力 N 也隨之增加，但 α 角過大會導(dǎo) . . 致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一 般取 α=30~40。這里取角 α=30 度。 這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點(diǎn)。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基 礎(chǔ)》 [7]中表 2-1 可知，V 形手指夾緊圓棒料時，握力的計(jì)算公式 N=0.5G，綜合前面驅(qū)動 力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動 以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動力 P 實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即： ?/pk21?實(shí) 際 （3.3） 式中 η——手部的機(jī)械效率，一般取 0.85~0.95； K1——安全系數(shù)，一般取 1.2~2 K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， K2 可近似按下式估計(jì)， K2=1+a/g，其中 a 為被抓取工件運(yùn)動時的最大加速度，g 為重力加速度。 本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為 500 毫米/秒，移動加速度為 1000 毫米/秒 ，工件重量 G 為 98 牛頓，V 型鉗口的夾角為 120,α=30時，拉緊油缸的驅(qū) 動力 P 和 P 實(shí)際計(jì)算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計(jì)算 公式 GN5.0? （3.4） 把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為 )(49N? 由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計(jì)算公式 得 abp/cos22 （3.5） P=P 計(jì)算 )(5.1249)30(cos7/452N???? P 實(shí)際=P 計(jì)算 ?1K 取 , , 85.0??.1k.98/02?? 則 ）（實(shí) 際 N3./5?p 3.4 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 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)鉗爪對稱中心 O 到工件中心 O′的距離為 x,則 22)sin/(XabRl????? （3.6） 當(dāng)工件直徑變化時,x 的變化量即為定位誤差△,設(shè)工件半徑 R 由 Rmax 變化到 Rmin 時, 其最大定位誤差為 △ =∣ - ∣ 22 )sinmax/(abRl????2)sinm/(abl??? （3.7） . . 其中 l=45mm ,b=5mm ,a=27mm , , ,?120??m15in?R30ax? 代入公式計(jì)算得最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8 所以是符合要求 3.5 本章小結(jié) 本章闡述了液壓機(jī)械手手部在設(shè)計(jì)時需要注意的問題，計(jì)算出驅(qū)動力，分析了回轉(zhuǎn) 式抓手的定位誤差。 4 腕部的結(jié)構(gòu) 4.1 概述 腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計(jì)腕部時要注意以下幾點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 ② 轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。 ③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置 以及潤滑、維修、調(diào)整等問題 ④ 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不 外露，使外形整齊 [8]。 4.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差， 回轉(zhuǎn)角度為115. 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接 和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油 缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的 回轉(zhuǎn)運(yùn)動。 圖 4.1 手的腕部結(jié)構(gòu) . . 4.3 手腕驅(qū)動力矩的計(jì)算 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、 端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。 手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計(jì)算： ）（摩偏慣驅(qū) N.mM?? （4.1） 式中 M 驅(qū)——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩 M 慣 ——慣性力矩 （N.m） M 偏 ——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線 所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m） M 摩 ——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m ） 圖 4.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩計(jì)算圖 ⑴ 摩擦阻力矩 M 摩 ）） （（摩 mN2D1f??? （4.2） 式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取 f=0.02，滑動軸承取 f=0.1； N1 、N2 ——軸承支承反力 （N） ； D1 、D2 ——軸承直徑（m） 由設(shè)計(jì)知 時D035.1?m04.2801?20NG981?02.e /.54.3M）（摩 ??? （4.3） 得 ）（摩 N.? ⑵ 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M 偏 ）（偏 G1e?? （4.4） 式中 G1——工件重量（N） . . e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離） ，當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心 線重合時，M 偏為零 當(dāng) e=0.020，G=98N 時 ）（偏 mN1.96M?? ⑶ 腕部啟動時的慣性阻力矩 M 慣 ① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度 時，可用下式計(jì)算 M 慣? ）（工 件 ）（慣 tj?? （4.5） 式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）? T——手腕啟動過程中所用時間（s） ， （假定啟動過程中近為加速運(yùn)動） J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（ kgm ）2 J 工件——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （kgm ） 按已知計(jì)算得 J=2.5，J 工件 =6.25， =0.3m/ m ,t=2?2 故 M 慣 = 1.3（Nm） ② 當(dāng)知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度 時，也可以用下面的公式計(jì)算 M 慣：? ）（工 件 ）（慣 N2j??? （4.6） 式中 ——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）;? ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s） 。? 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取 ）（摩偏慣 mN)(2.1???? （4.7） ）（）（ 6.93.251.M???? 4.4 本章小結(jié) 本章描述了腕部結(jié)構(gòu)和手腕驅(qū)動力矩的計(jì)算 . . 5 臂部的結(jié)構(gòu) 5.1 臂部概述 臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送 到給定位置和方位上，因而一般機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn) 和升降運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實(shí)現(xiàn)的。 ；立柱的橫向移動即為手臂的 橫向移動。手臂的各種運(yùn)動通常由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，因此，它不僅僅承 受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范 圍、靈活性以及抓重大小（即臂力）和定位精度等都直接影響機(jī)械手的工作性能，所以 必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動形式、自由度數(shù)、運(yùn)動速度及其定位精度的要求來設(shè) 計(jì)手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時，設(shè)計(jì)時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、 內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計(jì)臂部時一般要注意下述要求： ① 剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇 要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實(shí)心 軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ② 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對運(yùn)動，或設(shè)置導(dǎo) 向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。 ③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力 矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度，要盡量減少臂部運(yùn)動部分的重量，以減少偏重力矩和整 個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 ④ 運(yùn)動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運(yùn)動速度越高、重量越大，慣性力引起 的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn) 動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施 [9]。 5.2 手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu) 機(jī)械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運(yùn)動，而實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動的 機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)以 . . 及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu) [10]。 5.2.1 手臂伸縮運(yùn)動 這里實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動是采用液壓驅(qū)動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量 輕，因而