立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),立式,精鍛機(jī),自動(dòng),機(jī)械手,結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手 部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真 院 （系）： 機(jī)電學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 2014年 6月 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與仿真 摘 要 機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作 ,按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的機(jī)械裝置。它對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。本文對(duì)精短自動(dòng)生產(chǎn)線上，將加熱后的皮料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上這一過(guò)程中使用的機(jī)械手進(jìn)行了詳細(xì)的研究。首先采用黑箱法確定了設(shè)計(jì)方案，其次對(duì)各機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、計(jì)算以及校核方法做了具體的描述。采用液壓驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式，選擇液壓元件，完成液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后用 Solidworks 對(duì)零件進(jìn)行三維造型、裝配，建立仿真模型模擬機(jī)械運(yùn)行狀況，對(duì)機(jī)械進(jìn)行動(dòng)力與運(yùn)動(dòng)分析。通過(guò)上述設(shè)計(jì)及計(jì)算，達(dá)到了機(jī)械手自由度、行程以及強(qiáng)度等各方面的要求，完成了立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)與仿真。 關(guān)鍵詞：立式精鍛機(jī)；自動(dòng)上料機(jī)械手；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；液壓驅(qū)動(dòng)；仿真模型 Design and Simulation of?automatic?feeding?manipulator?hand?vertical precision forging machine Abstract The manipulator is?part of the action?of imitation hands,?according to the given program,?track and demanding acquirement,?handling and operation ofmechanical?device.?It plays a very important role to improve product quality, improve production efficiency, improve working conditions and products of rapid upgrade. In this paper, Introduced the manipulator in detail, which is used to the fine short automatic production line, the process of handling the heated leather removed from the truck onto the vertical forging machine. Firstly,?the design scheme is determined?by the black box?method; Secondly, Described the structural design of each institution, calculation and verification method in detail. Driven by hydraulic drive, hydraulic components selected to complete the design of the hydraulic system. Finally, Solidworks for parts for three-dimensional modeling, assembly, simulation model simulation of mechanical operating conditions, the mechanical power and motion analysis performed. By the above design and calculation, reached the manipulator degree of freedom, travel, the strength and other aspects of requirements, to complete the vertical forging machine automatic feeding robot hand design and simulation. Key Words: Vertical forging machine; Automatic feeding manipulator; Structural Design; Hydraulic drive; Simulation Model Ⅱ 主要符號(hào)表 FN 機(jī)械手手部握力（夾緊力） η 齒輪齒條的傳遞效率 φd 齒輪的齒寬系數(shù) m 齒輪模數(shù) D 夾緊油缸內(nèi)徑 δ 油缸壁厚 φ 夾緊油缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比 d 夾緊油缸活塞桿直徑 λ 夾緊油缸活塞桿柔度值 Q 油液流量 目錄 中文摘要 Ⅰ 英文摘要 Ⅱ 主要符號(hào)表 Ⅲ 1 緒論 9 1.1前言 9 1.2國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究的現(xiàn)狀 9 1.3機(jī)械手的組成及分類 11 1.3.1機(jī)械手的組成 11 1.3.2機(jī)械手的分類 12 1.4機(jī)械手研究意義 13 1.5本文主要研究?jī)?nèi)容 13 1.5.1設(shè)計(jì)任務(wù) 13 1.5.2 本課題的內(nèi)容 14 2 總體方案設(shè)計(jì) 15 2.1研究方法及措施 15 2.1.1研究方法 15 2.1.2研究措施 16 2.2研究方案的設(shè)計(jì) 16 2.2.1手抓結(jié)構(gòu)形式 16 2.2.2手部傳力結(jié)構(gòu) 16 2.2.3腕部運(yùn)動(dòng)形式 17 2.2.4手抓驅(qū)動(dòng)形式 17 2.3本章小結(jié) 17 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 18 3.1手部設(shè)計(jì)要求 18 3.1.1有適當(dāng)?shù)膴A緊力 18 3.1.2有足夠的開(kāi)閉范圍 18 3.1.3力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小 18 3.1.4手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度 18 3.1.5其它要求 18 3.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案說(shuō)明 19 3.3握力（夾緊力）的計(jì)算 19 3.3.1確定“V”型鉗爪的L、β 19 3.3.2握力的計(jì)算依據(jù) 20 3.3.3握力的計(jì)算 20 3.4驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 20 3.4.1理論驅(qū)動(dòng)力F理論的計(jì)算 20 3.4.2實(shí)際驅(qū)動(dòng)力F實(shí)際的計(jì)算 21 3.5油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 21 3.5.1夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 21 3.5.2傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)及校核 23 3.5.3手腕回轉(zhuǎn)油缸設(shè)計(jì)計(jì)算 26 3.6本章小結(jié) 28 4 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)= 29 4.1機(jī)械手驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇原則 29 4.2液壓系統(tǒng)簡(jiǎn)介 30 4.2.1液壓系統(tǒng)的工作原理 30 4.2.2液壓傳動(dòng)的工作特性 30 4.2.3液壓系統(tǒng)的組成 30 4.3自動(dòng)上料機(jī)械手液壓系統(tǒng) 31 4.4本章小結(jié) 31 5 機(jī)械手Solidworks三維仿真 32 5.1軟件Soildworks的認(rèn)識(shí) 32 5.2軟件的優(yōu)勢(shì) 32 5.3運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真 32 6 結(jié)論 34 致謝 35 參考文獻(xiàn) 38 附錄 40 1 緒論 1 緒論 1.1前言 工業(yè)機(jī)械手是在早期出現(xiàn)的古代機(jī)器人基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，機(jī)械手研究始于20世紀(jì)中期，隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，特別是1946年第一臺(tái)數(shù)字電子計(jì)算機(jī)問(wèn)世以來(lái)，計(jì)算機(jī)取得了驚人的進(jìn)步，向高速度、大容量、低價(jià)格的方向發(fā)展。同時(shí)，大批量生產(chǎn)的迫切需求推動(dòng)了自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)展，又為機(jī)器人的開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。另一方面，核能技術(shù)的研究要求某些操作機(jī)械代替人處理放射性物質(zhì)。在這一需求背景下，美國(guó)于1947年開(kāi)發(fā)了遙控機(jī)械手，1948年又開(kāi)發(fā)了機(jī)械式的主從機(jī)械手[1]。 機(jī)械手首先是從美國(guó)開(kāi)始研制的，1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手，它的結(jié)構(gòu)是；機(jī)體上安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械將進(jìn)入高度自動(dòng)化和智能化時(shí)期，機(jī)械手機(jī)器人的應(yīng)用可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量,改善勞動(dòng)條件,解決勞動(dòng)力不足等問(wèn)題[2]。 機(jī)械手的發(fā)展已有近40年的歷史了?，F(xiàn)在全世界已有近100萬(wàn)臺(tái)機(jī)械手在運(yùn)行[3]，機(jī)械手對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個(gè)方面，已產(chǎn)生重要的影響，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、電子、電器等領(lǐng)域。機(jī)械手是模仿人手的部分動(dòng)作 ,按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的機(jī)械裝置。它對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、改善勞動(dòng)條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。本課題針對(duì)軸類零件精短自動(dòng)生產(chǎn)線上，將加熱后的皮料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上這一過(guò)程中所使用的機(jī)械手，為保證順利完成取料、喂料和倒頭等動(dòng)作，專門設(shè)計(jì)一手部結(jié)構(gòu)。 1.2國(guó)內(nèi)外機(jī)械手研究的現(xiàn)狀 目前工業(yè)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鑄造、熱處理等方面，無(wú)論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的要求。 在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用的范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手， 41 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有條件的還要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。將機(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機(jī)構(gòu)，即可組成不同用途的機(jī)械手。既便于設(shè)計(jì)制造，有便于更換工件擴(kuò)大應(yīng)用范圍。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用。 此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺(jué)、視覺(jué)等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。? 在國(guó)外機(jī)械制造業(yè)中工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來(lái)完成規(guī)定的操作。? 此外，國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)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(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。? 視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀（即距離傳感器）以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，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(jī)械手進(jìn)行工作。 觸覺(jué)功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺(jué)作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。? 更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。 國(guó)外機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)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(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時(shí)，即能更正并自行檢測(cè)，重點(diǎn)是研究視覺(jué)功能和觸覺(jué)功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。視覺(jué)功能即在機(jī)械手上安裝有電視照相機(jī)和光學(xué)測(cè)距儀以及微型計(jì)算機(jī)。工作是電視照相機(jī)將物體形象變成視頻信號(hào)，然后送給計(jì)算機(jī)，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(jī)械手進(jìn)行工作。觸覺(jué)功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺(jué)反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過(guò)安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺(jué)作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過(guò)裝在手指內(nèi)的敏感元件來(lái)控制，達(dá)到自動(dòng)調(diào)整握力的大小。總之，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展機(jī)械手裝配作業(yè)的能力也將進(jìn)一步提高。隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域也不斷擴(kuò)大。目前，機(jī)械手不僅應(yīng)用于傳統(tǒng)制造業(yè)，如采礦、冶金、石油、化學(xué)、船舶等領(lǐng)域，同時(shí)也已開(kāi)始擴(kuò)大到核能、航空、航天、醫(yī)藥、生化等高科技領(lǐng)域以及家庭清潔、醫(yī)療康復(fù)等服務(wù)業(yè)領(lǐng)域中[4]。 目前，在國(guó)內(nèi)外各種機(jī)器人和機(jī)械手的研究成為科研的熱點(diǎn)，其研究的現(xiàn)狀和大體趨勢(shì)如下： a． 重復(fù)高精度 精度是指機(jī)械手達(dá)到指定點(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)次數(shù)多，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)械手定位不夠精確，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)械手來(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。 b． 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)械手動(dòng)作自如。模塊化機(jī)械手使同一機(jī)械手可能應(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。 c． 節(jié)能化 為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無(wú)污染要求不加潤(rùn)滑脂的不供油潤(rùn)滑元件已經(jīng)問(wèn)世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤(rùn)滑材料制造的無(wú)潤(rùn)滑元件，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡(jiǎn)單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長(zhǎng)。 d． 機(jī)電一體化 由“可編程控制器—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”,節(jié)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機(jī)械手的組成及分類 1.3.1機(jī)械手的組成 機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成[5]。 a． 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括手部、手臂和軀干。 1 機(jī)械手手部 機(jī)械手手部的構(gòu)造模仿人的手指，分為無(wú)關(guān)節(jié)、固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。根據(jù)其夾持原理，手部又可分為機(jī)械鉗爪式和吸附式兩大類。機(jī)械鉗爪式手部按夾取的方式，可分為內(nèi)撐式和外夾式兩種，兩者的區(qū)別在于夾取工件的部位不同，手爪的動(dòng)作方向相反。吸附式手部還可以分為磁力吸附式和真空吸附式兩種[6]。手指的數(shù)量有可分為二指、三指、四指等。 2 手臂 手臂由大臂、小臂（或多臂）所組成，一般具有2個(gè)自由度，即伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰或升降。臂部的作用是引導(dǎo)手指準(zhǔn)確地抓取工件，并運(yùn)送到所需要的位置上，為了使機(jī)械手能夠正確的工作，手臂的自由度都要精確定位。手臂常用的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)有直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其中，手臂的伸縮、橫向移動(dòng)均屬于直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)常用的機(jī)構(gòu)形式有液壓（氣壓）缸、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)及連桿機(jī)構(gòu)等；實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)形式有葉片式回轉(zhuǎn)缸、齒輪回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)等[7]。 3 軀干 軀干是安裝手臂、動(dòng)力源和各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)的支架。 b． 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于把驅(qū)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)到機(jī)器人的關(guān)節(jié)和動(dòng)作部位。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)可以由不同的驅(qū)動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電氣驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)。其中以液壓、氣動(dòng)用的最多，占90％以上，電動(dòng)、機(jī)械驅(qū)動(dòng)使用的較少。 c．控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)是支配著工業(yè)機(jī)器人按規(guī)定的要求運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。目前工業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)一般由程序控制系統(tǒng)和電氣定位(或機(jī)械擋塊定位)系統(tǒng)組成。機(jī)器人的控制系統(tǒng)的主要功能有示教再現(xiàn)和運(yùn)動(dòng)控制功能。 控制系統(tǒng)有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機(jī)器人按規(guī)定的程序運(yùn)動(dòng)，并記憶人們給予機(jī)器人的指令信息(如動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度及時(shí)間)，同時(shí)按其控制系統(tǒng)的信息對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，必要時(shí)可對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)動(dòng)作有錯(cuò)誤或發(fā)生故障時(shí)即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 1.3.2機(jī)械手的分類 按照工業(yè)機(jī)器人用途、控制方式等進(jìn)行分類。 a.按用途分類 機(jī)器人可分為專用機(jī)器人和通用機(jī)器人兩種: （1） 專用機(jī)器人 它是附屬于主機(jī)的、具有固定程序而無(wú)獨(dú)立控制系統(tǒng)的機(jī)械裝置。專用機(jī)器人具有動(dòng)作少、工作對(duì)象單一、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用可靠和造價(jià)低等特點(diǎn)，適用于大附屬，如自動(dòng)機(jī)床、自動(dòng)線的上、下料機(jī)器人和“加工中心”批量的自動(dòng)化生產(chǎn)的自動(dòng)換刀機(jī)器人。 （2） 通用機(jī)器人 它是一種具有獨(dú)立控制系統(tǒng)的、程序可變的、動(dòng)作靈活多樣的機(jī)器人。通過(guò)調(diào)整可在不同場(chǎng)合使用，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和格性能范圍內(nèi)，其動(dòng)作程序是可變的，控制系統(tǒng)是獨(dú)立的。通用機(jī)器人的工作范圍大、定位精度高、通用性強(qiáng)，適用于不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量自動(dòng)化的生產(chǎn)。 通用機(jī)器人按其控制定位的方式不同可分為簡(jiǎn)易型和伺服型兩種:簡(jiǎn)易型以“開(kāi)一關(guān)”式控制定位，只能是點(diǎn)位控制:伺服型具有伺服系統(tǒng)定位控制系統(tǒng)， 可以點(diǎn)位控制，也可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)軌跡控制，一般的伺服型通用機(jī)器人屬于數(shù)控類型。 b.按控制方式分類 (1) 點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控制其運(yùn)動(dòng)軌跡。若欲控制的點(diǎn)數(shù)多，則必然增加電氣控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。目前使用的專用和通用工業(yè)機(jī)器人均屬于此類。 (2) 連續(xù)軌跡控制 它的運(yùn)動(dòng)軌跡為空間的任意連續(xù)曲線，其特點(diǎn)是設(shè)定點(diǎn)為無(wú)限的，整個(gè)移動(dòng)過(guò)程處于控制之下，可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)和準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)，并且使用范圍廣，但電氣控制系統(tǒng)復(fù)雜。這類工業(yè)機(jī)器人一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。 1.4機(jī)械手研究意義 機(jī)械手越來(lái)越廣泛的得到了應(yīng)用，在機(jī)械行業(yè)中它可用于零部件組裝 ，加工工件的搬運(yùn)、裝卸，特別是在自動(dòng)化數(shù)控機(jī)床、組合機(jī)床上使用更普遍。目前機(jī)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(gè)重要組成部分[8]。把機(jī)床設(shè)備和機(jī)械手共同構(gòu)成一個(gè)柔性加工系統(tǒng)或柔性制造單元，它適應(yīng)于中、小批量生產(chǎn)，可以節(jié)省龐大的工件輸送裝置，結(jié)構(gòu)緊湊，而且適應(yīng)性很強(qiáng)。當(dāng)工件變更時(shí)，柔性生產(chǎn)系統(tǒng)很容易改變，有利于企業(yè)不斷更新適銷對(duì)路的品種，提高產(chǎn)品質(zhì)量，更好地適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。而目前我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，應(yīng)用規(guī)模和產(chǎn)業(yè)化水平低，機(jī)械手的研究和開(kāi)發(fā)直接影響到我國(guó)自動(dòng)化生產(chǎn)水平的提高[9]，從經(jīng)濟(jì)上、技術(shù)上考慮都是十分必要的。因此，進(jìn)行機(jī)械手的研究設(shè)計(jì)是非常有意義的。 1.5本文主要研究?jī)?nèi)容 1.5.1設(shè)計(jì)任務(wù) 根據(jù)組合機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，設(shè)計(jì)一應(yīng)用于立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)，同時(shí)，運(yùn)用三維建模軟件完成該機(jī)構(gòu)的裝配模型并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。本課題針對(duì)軸類零件精短自動(dòng)生產(chǎn)線上，將加熱后的皮料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上這一過(guò)程中所使用的機(jī)械手。 技術(shù)指標(biāo)：（1）抓重60kg；（2）手指加持范圍φ30-φ120mm。 1.5.2 本課題的內(nèi)容 （1）調(diào)研和收集資料，論述國(guó)內(nèi)外立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀和主要發(fā)展方向。 （2）確定該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案和整體結(jié)構(gòu)。 （3）完成該機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算。 （4）完成機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)的裝配圖、裝配模型和運(yùn)動(dòng)分析。 （5）預(yù)期成果形式： a.圖紙:①機(jī)構(gòu)裝配圖；②零件圖，折合A0圖紙不少于2張； b.畢業(yè)論文一份： 1) 介紹本課題的題目背景信息、研究意義和國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。 2) 設(shè)計(jì)方案的擬訂。包括確定機(jī)械手手爪形式、手爪結(jié)構(gòu)方式、手腕自由度、驅(qū)動(dòng)方式等。 3) 設(shè)計(jì)計(jì)算。包括鉗爪的夾緊力、夾緊油缸及手腕回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)外徑設(shè)計(jì)計(jì)算及相關(guān)的校核計(jì)算。 4) 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 c．Solidworks 運(yùn)動(dòng)仿真模型。 2 總體方案設(shè)計(jì) 2 總體方案設(shè)計(jì) 2.1研究方法及措施 2.1.1研究方法 擬采用黑箱法對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)進(jìn)行初步分析[10]，黑箱結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。 自動(dòng)機(jī)械手 工 件 驅(qū)動(dòng)能 信 息 工件位置改變 夾持 圖2.1 黑箱結(jié)構(gòu) 通過(guò)對(duì)機(jī)械手動(dòng)作分析及運(yùn)動(dòng)分析，確定其周期運(yùn)動(dòng)可以表現(xiàn)為（按動(dòng)作表現(xiàn)）：夾緊 上升 回轉(zhuǎn) 延伸 放松 收回 反轉(zhuǎn) 下降。流程圖見(jiàn)圖2.2。 手腕反轉(zhuǎn) 手臂收縮 手臂反轉(zhuǎn) 放松工件 手臂延伸 手腕回轉(zhuǎn) 大臂回轉(zhuǎn) 大臂上升 夾緊工件 對(duì)各動(dòng)作功能原理的具體分析從而進(jìn)行方案的設(shè)計(jì)[11]。 大臂下降 圖2.2 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)流程圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2.1.2研究措施 從系統(tǒng)功能分解出發(fā)，將系統(tǒng)功能元與功能元的解分別列為縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)，做成如表2.1的形態(tài)學(xué)矩陣。 表2.1 立式精鍛機(jī)上料機(jī)械手的低層形態(tài)學(xué)矩陣 分功能 1 2 3 4 5 手抓結(jié)構(gòu)形式 外抓式 內(nèi)抓式 真空吸盤(pán) 電磁吸盤(pán) 手部傳力機(jī)構(gòu) 滑槽杠桿式 連桿杠桿式 齒輪齒條式 絲杠螺母式 平行連桿式 腕部運(yùn)動(dòng)形式 單自由度式手腕 二自由度式手腕 三自由度式手腕 手抓驅(qū)動(dòng)形式 液壓式 氣壓式 電動(dòng)式 機(jī)械式 2.2研究方案的設(shè)計(jì) 2.2.1手抓結(jié)構(gòu)形式 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)立式精鍛機(jī)的被加持對(duì)象已經(jīng)明確為已加熱工件，故真空吸盤(pán)和電磁吸盤(pán)都不能運(yùn)用，工件為圓柱形工件時(shí)，內(nèi)抓式手抓不能用，因此選擇外抓式手部形式。 2.2.2手部傳力結(jié)構(gòu) a．滑槽式手爪：當(dāng)活塞向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，滑槽通過(guò)銷子推動(dòng)手爪合并，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作和夾緊力，當(dāng)活塞向后運(yùn)動(dòng)時(shí)，手爪松開(kāi)，夾持范圍較大。 b．連桿杠桿式手爪：這種手爪在活塞的推力下，連桿和杠桿使手爪產(chǎn)生夾緊（放松）運(yùn)動(dòng)，由于杠桿的力放大作用，這種手爪有可能產(chǎn)生較大的夾緊力，開(kāi)閉角較小[12]。 c. 齒輪齒條式手爪：這種手爪通過(guò)活塞推動(dòng)齒條，齒條帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生手爪的夾緊與松開(kāi)動(dòng)作，手指開(kāi)閉角大。 d. 絲杠螺母機(jī)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、制造成本低、具有自鎖功能，但其摩擦阻力矩大、傳動(dòng)效率低（30%~40%）。 e. 平行連桿式手爪：采用平行四邊形機(jī)構(gòu)，因此不需要導(dǎo)軌就可以保證手爪的兩手指保持平行運(yùn)動(dòng)，比帶有導(dǎo)軌的平行移動(dòng)手爪的摩擦力要小很多。 本設(shè)計(jì)的對(duì)象是抓取回轉(zhuǎn)體工件的機(jī)械手。且回轉(zhuǎn)直徑φ30-φ120mm，變化范圍大，故不能選擇連桿杠桿式手爪；絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳遞效率低，故不選絲杠螺母機(jī)構(gòu)；滑槽式手爪夾持后會(huì)因?yàn)槊咧睆秸`差引起工件的中心線發(fā)生移動(dòng)，故也不選擇滑槽式手爪；為保證加持精度，這里選擇齒輪齒條式手爪，使用V形鉗爪[13]，適用于抓取多種規(guī)格的工件。 2.2.3腕部運(yùn)動(dòng)形式 在上料時(shí)工件需要手腕的回轉(zhuǎn)即可，這里選用單自由度式手腕。 2.2.4手抓驅(qū)動(dòng)形式 如果機(jī)械手采用機(jī)械傳動(dòng)，則自由度少，難于實(shí)現(xiàn)特別復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于組合機(jī)床自動(dòng)上下料的機(jī)械手，其工件的運(yùn)動(dòng)需要多個(gè)自由度才能完成，故不宜采用機(jī)械傳動(dòng)方案[14]。如果機(jī)械手采取氣壓傳動(dòng)，由于氣控信號(hào)比光、電信號(hào)慢得多，且由于空氣的可壓縮性，工作時(shí)容易產(chǎn)生抖動(dòng)和爬行，造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度和定位精度不可靠，效率也較低。電氣傳動(dòng)必須有減速裝置和將電機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成直線運(yùn)動(dòng)的裝置，結(jié)構(gòu)龐大，速度不易控制。氣液聯(lián)合控制和電液聯(lián)合控制則使系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜[15]。且單自由度式手腕常用的結(jié)構(gòu)有兩種：⑴回轉(zhuǎn)液壓缸直接裝在手腕上實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)角小于270°的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)；⑵齒條活塞驅(qū)動(dòng)的回轉(zhuǎn)角大于270°的結(jié)構(gòu)形式。因?yàn)榈诙N手腕結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，且本課題手腕回轉(zhuǎn)的角度不需要大于270°，故綜上所述，我們選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式，將液壓缸直接裝在手腕上，可以使結(jié)構(gòu)十分緊湊。 2.3本章小結(jié) 本章通過(guò)黑箱法和形態(tài)學(xué)矩陣提出了解決問(wèn)題的多種方案，通過(guò)相互對(duì)比，最終確定機(jī)械手方案采用外抓式手爪形式，齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)方式，單自由度式手腕，驅(qū)動(dòng)形式為液壓驅(qū)動(dòng)方式。 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1手部設(shè)計(jì)要求? 3.1.1有適當(dāng)?shù)膴A緊力? 手部在工作時(shí)，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(duì)于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計(jì)得可以調(diào)節(jié)，對(duì)于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。? 3.1.2有足夠的開(kāi)閉范圍? 夾持類手部的手指都有張開(kāi)和閉合裝置。工作時(shí)，一個(gè)手指開(kāi)閉位置以最大變化量稱為開(kāi)閉范圍。對(duì)于回轉(zhuǎn)型手部手指開(kāi)閉范圍，可用開(kāi)閉角和手指夾緊端長(zhǎng)度表示。手指開(kāi)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(lái)說(shuō)，如工作環(huán)境許可，開(kāi)閉范圍大一些較好。? 3.1.3力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小? 手部處于腕部的最前端，工作時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個(gè)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運(yùn)動(dòng)速度等性能。因此，在設(shè)計(jì)手部時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，體積小。? 3.1.4手指應(yīng)有一定的強(qiáng)度和剛度? 3.1.5其它要求? 因?yàn)樗土?，夾緊機(jī)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(kāi)時(shí)，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，制造方便。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3.2機(jī)械手結(jié)構(gòu)方案說(shuō)明 本文中機(jī)械手方案采用外抓式手爪形式，齒輪齒條式手爪結(jié)構(gòu)方式，如圖3.1所示，其手部是由手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置組成。采用V形手指。驅(qū)動(dòng)裝置為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)源采用液壓的，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)手指的張開(kāi)與閉合。 圖3.1 機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)圖 1—手爪；2—手指；3—齒條；4—扇形齒輪； 5—銷；6—螺釘；7—螺母；8—外罩；9—汽缸 3.3握力（夾緊力）的計(jì)算 3.3.1確定“V”型鉗爪的L、β 取L/Rop=5??[16]? （3—1） 式中：??Rop=(RMax +RMin)2+ （3—2） =(15+60)2+=37.5mm? 由公式（3—1）、（3—2）得：L=5×Rop=187.5mm? 取“V”型鉗口的夾角2θ=120°，則偏轉(zhuǎn)角β按《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》表2-3來(lái)確定，查表得：? β=76°39′￠? 3.3.2握力的計(jì)算依據(jù) 手指握緊工件時(shí)所需的力稱為握力（即夾緊力），一般來(lái)說(shuō)，手指握力需克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化時(shí)所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），使得工件保持良好的夾緊狀態(tài)。握力的大小與被夾持工件的重量、重心位置、以及夾持工件的范圍有關(guān)，我們把握力假想為作用在手指與工件接觸面的對(duì)稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力大小相等，方向相反，用FN表示,可按下式計(jì)算：? FN≥K1K2K3G （3-3） 其中K1：安全系數(shù)，通常取1.2-2.0?； ?????? K2：工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按K2=1.1～2.5，或近似按下式估算?K2=1+a/g。（a為機(jī)械手在搬運(yùn)工件過(guò)程中的加速度，m/s2; g 為重力加速度）； K3：方位系數(shù)，按《機(jī)械手理論及應(yīng)用》表4-3選取，K3=0.5sinθf(wàn)≈4；+??????????????????????????? ?????? G:被抓取工件的重量（即重力）?[16]?。????????????????? 3.3.3握力的計(jì)算? F?N=K1K2K3G =k1×k2 ×(0.5sinθf(wàn)) ×G =1.5×1.1×4×60×9.8 =3880.8 N = 3.4驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 3.4.1理論驅(qū)動(dòng)力F理論的計(jì)算 查資料《機(jī)械手理論及應(yīng)用》可得，作用在活塞桿上的理論驅(qū)動(dòng)力為： F理論=2baFN （3-4） 式中 b---加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離， b=L×sinβ=182mm； a---初選扇形齒輪分度圓半徑為a=50mm； FN---手指的夾緊力，N=3880.8 N。 由此可計(jì)算的F理論=28252.22N 3.4.2實(shí)際驅(qū)動(dòng)力F實(shí)際的計(jì)算 取傳遞效率η=0.95 F實(shí)際= F理論η (3-5) =28252.220.95 =29739.18N 3.5油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算? 3.5.1夾緊油缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 夾緊油缸作為作為機(jī)械手手指的動(dòng)力源，為手指的張開(kāi)、閉合提供動(dòng)力。因此要具有一定的推動(dòng)能力，這里選用的是雙作用單桿活塞油缸，當(dāng)壓力油分別進(jìn)入油缸的有桿腔和無(wú)桿腔時(shí)，推動(dòng)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)機(jī)械手手指的開(kāi)閉。當(dāng)油液進(jìn)入油缸有桿腔時(shí)，活塞桿帶動(dòng)手指張開(kāi)，當(dāng)油液從無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，活塞桿帶動(dòng)手指閉合[17]。? （1）油缸內(nèi)徑D 由(3-5)計(jì)算可知，手指的開(kāi)閉實(shí)際所需驅(qū)動(dòng)力F實(shí)際=29739.18N，此驅(qū)動(dòng)力由油液推動(dòng)活塞帶動(dòng)活塞桿提供，所以有：? F實(shí)際=14πD2p 根據(jù)《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)》表4-2選取油液壓力p=2.2MPa? D2=?4F實(shí)際/πp????? （3-6） =4×29739.18π×2.2×106′′′ ?得油缸內(nèi)徑D=131.2mm? 表3.1 液壓缸內(nèi)徑及柱塞桿外徑尺寸系列（GB/T2348-1993）（mm） 液壓缸內(nèi)徑尺寸 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 （90） 100 （110） 125 （140） 160 （180） 200 220 （250） （280） 320 （360） 400 450 500 活塞桿外徑尺寸 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 括號(hào)內(nèi)為優(yōu)先選取尺寸，柱塞桿連接螺紋型式按細(xì)牙，規(guī)格和長(zhǎng)度查有關(guān)資料。 選擇油缸內(nèi)徑D=140mm。???? （2）液壓缸外徑計(jì)算? 對(duì)于低壓缸，Dδ≥16，應(yīng)按薄壁公式計(jì)算：? 0.1D≥δ≥PD2[σ]ds3 （3-7） 液壓缸采用無(wú)縫鋼管，查表可得[σ]=100Mpa δ≥PD2[σ]=2.2×106×0.142×100×106d=1.54mms 查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)液壓傳動(dòng)》，選取液壓缸外徑D1=160mm。 對(duì)缸壁厚度校核：? σ=（0.4r2+1.3R2R2?r2）p]s? （3-8） =（0.4×702+1.3×802802?702）×2.2]s =15.08MPa＜[σ] 滿足材料的強(qiáng)度要求，所以液壓缸滿足工作要求。? （3）夾緊油缸活塞桿計(jì)算? 按往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度比確定活塞桿直徑? 速度比φ=V2V1=233176=1.32 （3-9） 活塞桿直徑d d=Dφ?1φ=1401.32?11.32=68.93mm （3-10） 選取d=70mm。 活塞桿的強(qiáng)度校核:? 活塞桿的材料為45鋼，桿長(zhǎng)L約大于桿直徑的15倍，所以：? 桿長(zhǎng)L>15d=15×70=1050mm? 活塞桿材料為碳鋼，σs=350paMPa，σb=210MPa，E=210Gpa，碳鋼的[σ]=100~120MPa， 活塞桿的受力： σ=F14πd2?=29739.1814×π×702?=7.72MPa＜[σ] （3-11） 所以活塞桿的強(qiáng)度滿足要求。? 活塞桿穩(wěn)定性校核：? 特定柔度值λ1=πEσP=π210×109280×106=86 （3-12） 柔度 λ=μ1i=μ14d=0.7×1.0514×0.07?=42 （3-13） 因?yàn)棣耍鸡?，故不能用歐拉公式計(jì)算臨界壓力[18]，由《材料力學(xué)》表10.1可知，優(yōu)質(zhì)碳鋼的a=461Mpa，b=2.568Mpa，所以有：? λ2=a?σsb=461?3502.568=43.2 （3-14） 由（3-12）、（3-13）、（3-14）可見(jiàn)活塞桿滿足λ2＜λ＜λ1，是中等柔度壓桿，其臨界應(yīng)力：? σcr=a-bλ=461-2.568×42=353.144Mpasl=-′=??????????????????????? （3-15） 由此可見(jiàn)，臨界壓力遠(yuǎn)大于工作時(shí)壓力，故穩(wěn)定性滿足要求。? （4）油液流量計(jì)算? 油液進(jìn)入無(wú)桿腔時(shí)的流量Q1：? Q1=?1/4πD2v?=1/4×π×142×17.6=2709.3cm3/s???????????????????????????? ?? （3-16） 油液進(jìn)入有桿腔時(shí)的流量Q2： Q2=1/4π（D2-d2）v =1/4×π×（142-72）×23.3=2690.07cm3/s???????????????????? （3-18） 3.5.2傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)及校核 由于該齒輪傳動(dòng)為閉式傳動(dòng)，屬于一般的通用機(jī)械，所以采用齒面硬度≤350HBS的軟齒面鋼制齒輪，按照齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算原則，本設(shè)計(jì)應(yīng)先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算，待確定了齒輪傳動(dòng)的參數(shù)和尺寸后，再驗(yàn)算齒輪齒根的彎曲疲勞強(qiáng)度。 a．確定傳動(dòng)齒輪的材料、熱處理方法及精度等級(jí) 1 查資料《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-1，扇形齒輪材料選用45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)后表面淬火，硬度為220HBS; 2 由于機(jī)械手的齒輪傳動(dòng)為一般的齒輪傳動(dòng)，圓周速度不會(huì)太大，故可選用8級(jí)精度[19]； 3 初選齒輪齒數(shù)z=20。 b. 按齒面的接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪 由于本設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)為軟齒面的閉式齒輪傳動(dòng)，齒輪的承載能力主要有齒輪接觸疲勞強(qiáng)度決定，故可按《機(jī)械設(shè)計(jì)》設(shè)計(jì)計(jì)算公式（10-9a）進(jìn)行計(jì)算，即 d1≥2.323KT1 φd×u±1u（ZE[σH]）2 （3-19） 1 確定載荷系數(shù) 因該齒輪傳動(dòng)是軟齒面的齒輪，圓周速度也不大，精度也不高，而且齒輪相對(duì)支承是對(duì)稱分布，根據(jù)原動(dòng)機(jī)和載荷性質(zhì)查資料《機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)基礎(chǔ)》中表5-8，試取Kt=1.3； 2 計(jì)算齒輪轉(zhuǎn)矩 T=95.5×105Pn （3-20） 由于手指由張開(kāi)到閉合的時(shí)間t=0.2s，液壓缸的行程暫定為l=150mm，則可求齒輪的線度： V=lt=750mm/s （3-21） 由（3-21）進(jìn)而求得轉(zhuǎn)速： n=w2π=v2πa=7502π×50×60=143r/min （3-22） 由（3-4）、（3-21）得輸入功率： P=F理論V=28252.22×0.75=21.189KW （3-23） 由公式（3-22）（3-23）得 T1=95.5×105×21.189143=1.415×106N.mm=1415N.m 由公式（3-3）算出的握力FN和公式（3-4）中的加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離b可以算出夾持力矩T2=FN×b=3880.8×0.182=706.3N.m＜齒輪轉(zhuǎn)矩T。 故齒輪轉(zhuǎn)矩達(dá)到技術(shù)要求，加緊力至回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的垂直距離b=182mm滿足要求。 3 選取齒面寬系數(shù) 由于本齒輪傳動(dòng)中齒輪為懸臂布置，且為軟齒面?zhèn)鲃?dòng)，故查表3-2選取齒寬系數(shù)為φd=0.8； 表3-2齒寬系數(shù)表[20] 4 選取材料的彈性影響系數(shù)ZE 由于兩齒輪材料均為優(yōu)質(zhì)碳素鋼，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-6可取材料的彈性影響系數(shù)ZE=189.8MPa 5 查取齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-21d按齒面硬度查得扇形齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為: σHlim=560MPa； 6 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 擬定工作壽命為15年，按每年300天，每天按8小時(shí)計(jì)算。 則由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)得： N=60njLh=60×143×1×（8×300×15）=3.09×108次 （3-24） 7 查取接觸疲勞壽命系數(shù)KHN 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-19查得接觸疲勞壽命系數(shù)為：KHN=0.95 8 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 對(duì)于解除疲勞強(qiáng)度計(jì)算，由于點(diǎn)蝕破壞發(fā)生后只引起噪聲、震動(dòng)增大，并不會(huì)立即導(dǎo)致不能繼續(xù)工作的后果，故可取安全系數(shù)S=1，由資料《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-12）得： [σH]= KHN σHlim s=0.95×560=532MPa （3-25） 9 計(jì)算分度圓直徑d 由于本傳動(dòng)為齒輪齒條傳動(dòng)，傳動(dòng)比近似無(wú)窮大，所以u(píng)±1u=1 d1t≥2.323KtT1 φd×u±1u（ZE[σH]）2 =2.3231.3×1.415×1060.8×1×（189.8532）2 =154.033mm 10 計(jì)算齒寬 b=φd×d1t=0.8×154.033=123.23mm （3-26） 模數(shù)mt=d1tz= 154.03320=7.7mm （3-27） 齒高h(yuǎn)=2.25mt=2.25×7.7=17.329mm （3-28） 則齒寬與齒高之比bh=123.2317.329=7.11 （3-29） 11 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)由（3-21）得V=0.75m/s，8級(jí)精度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-8查得動(dòng)載系數(shù)KV=1.05; 直齒輪，KHα=KFα=1; 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-2查得使用系數(shù)KA=1; 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-4查得8級(jí)精度、齒輪相對(duì)支承懸臂布置時(shí)，KHβ=1.796; 由bh=7.11，KHβ=1.796查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-13得KFβ=1.52； 故載荷系數(shù) K=KAKVKHαKHβ=1×1.05×1×1.796 =1.8858 12 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所算的分度圓直徑 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-10a）得 d1=3KKt×d1t=31.88581.3 ×154.033=174.37mm （3-30） 計(jì)算模數(shù) m=d1z=174.37/20=8.72mm c．按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)齒輪 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-5）得彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 m≥32KT1 φdz12×（YFaYSa[σF]） （3-31） 1 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-20c查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限σFE=380MPa； 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN=2.0; 2 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（10-12）得 [σF]= kFNσFES=2.0×3801.4MPa=542.857MPa （3-32） 3 計(jì)算載荷系數(shù) K=KAKVKFαKFβ=1×1.05×1×1.52=1.596 （3-33） 4 查取齒形系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查得YFa=2.80。 5 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表10-5查得YSa=1.55。 6 設(shè)計(jì)計(jì)算 m≥32KT1 φdz12×（YFaYSa[σF]） = 32×1.596×1.415×1060.8×202×（2.80×1.55542.857） =4.83mm 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)與齒數(shù)的乘積）有關(guān)，故可取由彎曲強(qiáng)度算得的模數(shù)4.83并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=5mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=174.37mm。 第一系列?0.1　0.12　0.15　0.2　0.25　0.3　0.4　0.5　0.6　0.8　1　1.25　1.5　2　2.5　3　4　5　6　8　10　12　16　20　25　32　40　50 第二系列?0.35　0.7　0.9　0.75　2.25　2.75?。?.25）3.5　（3.75）　4.5　5.5?。?.5）　7　9　?。?1）　14　18　22　28　（30）　36　45 表3-3漸開(kāi)線圓柱齒輪模數(shù)（GB/T 1357-1987） 算出齒輪齒數(shù) Z=d1m=174.375≈35 7 計(jì)算幾何尺寸 計(jì)算分度圓直徑 d=zm=35×5=175mm 計(jì)算齒輪寬度 b=φd×d=0.8×175=140mm 3.5.3手腕回轉(zhuǎn)油缸設(shè)計(jì)計(jì)算 在手腕的回轉(zhuǎn)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支撐孔的摩擦力矩、密封裝置的摩擦力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)重心和轉(zhuǎn)動(dòng)軸線不重合的偏重力矩，所以有：? M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封 （3-19） （1）手腕加速起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣? 把手部、轉(zhuǎn)軸以及回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)部分等效為一個(gè)高54cm，直徑18cm的圓柱體，其所受重力為350N。則有手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J：? J=1/2mR2?=1/2×35×0.092=0.14175N.m （3-20） 假設(shè)工件直徑10cm，長(zhǎng)度100cm，質(zhì)量60kg。工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J工件：? J工件=1/12m（L2+3R2） （3-21） =1/12×60×（12+3×0.052） =5.0375N.m 手腕回轉(zhuǎn)角速度ω=15rad/s，取啟動(dòng)時(shí)間t=2s。?由（3-20）、（3-21）得手腕加速起動(dòng)所產(chǎn)生的慣性力矩M慣： M慣=（J+J工件）ωt=（0.14175+5.0375）×152=38.84N.m （3-22） （2）手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)工件偏重力矩M偏? 假設(shè)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心重合，所以有M偏=0 N.m （3-23） （3）腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩M摩? 為簡(jiǎn)化計(jì)算，可取M摩=0.1M驅(qū)? （3-24） （4）密封處的摩擦阻力矩M封? 為簡(jiǎn)化計(jì)算，可取M封=0.15M驅(qū)? （3-25） 根據(jù)以上公式（3-22）、（3-23）、（3-24）、（3-25）的計(jì)算可知：? ????????????M驅(qū)=M慣+M偏+M摩+M封 =38.84+0+0.1M驅(qū)+0.15M驅(qū)? 得M驅(qū)=51.79N.m? （5）回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)徑計(jì)算 回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩M? M=pb(R2?r2)2 （3-26） 圖3.2回轉(zhuǎn)油缸示意圖 其中取動(dòng)片寬度b取30mm，輸出軸半徑r=30mm，油液壓力p=2.2Mpa。? 因?yàn)橛蠱>M驅(qū),即? M=pb(R2?r2)2=1/2×2.2×106×0.03×（R2-0.032）≥51.79 得R=49.7mm,即是油缸內(nèi)徑D1=99.4mm。? 選取標(biāo)準(zhǔn)油缸內(nèi)徑D1=100mm。 （6）回轉(zhuǎn)油缸外徑計(jì)算 對(duì)于手腕回轉(zhuǎn)油缸，Dδ≤3.2，根據(jù)油缸的工作要求，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)液壓傳動(dòng)》，選取外徑D2=140mm。 3.6本章小結(jié) 本章主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，主要對(duì)鉗爪的夾緊力、夾緊油缸及手腕回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)外徑進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)齒輪齒條及手腕回轉(zhuǎn)