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本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))開題報(bào)告
論 文 題 目：立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)學(xué) 院：
一、選題依據(jù)
1、論文（設(shè)計(jì)）題目
立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)2、研究領(lǐng)域
三維設(shè)計(jì)，機(jī)械設(shè)計(jì)，液壓傳動(dòng)
3、論文（設(shè)計(jì)）工作的理論意義和應(yīng)用價(jià)值
我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 12643-90)對(duì)機(jī)械手的定義：具有和人手臂相似的動(dòng)作功能， 可在空間抓放物體，或進(jìn)行其它操作的機(jī)械裝置。
機(jī)械手技術(shù)是綜合了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。
理論意義：其一，對(duì)于機(jī)器人的研制，尤其仿人機(jī)器人的研究應(yīng)用，必將對(duì)機(jī)器人行業(yè)起到積極的促進(jìn)作用；其二，仿人機(jī)械手的研發(fā)隸屬于制造業(yè)，其研制成功與推廣，可以增加就業(yè)，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)價(jià)值；其三，其技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以促進(jìn)制造業(yè)的信息化、自動(dòng)化和產(chǎn)品的智能化，提升產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值，從而促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。
應(yīng)用價(jià)值：機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，國(guó)家在工業(yè)方面也得到了迅猛發(fā)展，機(jī)械手作為工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的一種工具，對(duì)其技術(shù)的不斷突破也變得日趨重要。目前，機(jī)械手的種類大至可按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。隨著工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的需要，機(jī)械手在工業(yè)應(yīng)用中越來(lái)越重要。特別是在高溫、高壓、多粉塵、易燃、易爆、放射性等惡劣環(huán)境中，以及笨重、單調(diào)、頻繁的操作代替人作業(yè)。
本課題研究的機(jī)械手主要用于立式精鍛機(jī)，針對(duì)軸類零件精鍛自動(dòng)生產(chǎn)線，將加熱后的坯料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上。機(jī)械手固定安裝在 JD100 立式精鍛機(jī)前，要求機(jī)械手抓取工件時(shí)，滿足被握持的工件形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等要求。
4、目前研究的概況和發(fā)展趨勢(shì)
工業(yè)機(jī)械手的第一次迅猛發(fā)展是在第二次世界大戰(zhàn)，最早應(yīng)用在美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的搬運(yùn)核原料的遙控機(jī)械操作手研究，時(shí)間大約是在上世紀(jì) 40 年代，它是一
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種主從型的控制系統(tǒng)。1958 年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)械手?？刂葡到y(tǒng)有別于 40 年代的主從型而是示教型的；1962 年，美國(guó)聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上， 研制出一種更新興的機(jī)械手，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲(chǔ)存裝置。這個(gè)機(jī)械手對(duì)機(jī)械手的發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義， 日后的不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的；同一年該公司和普曼公司合并成重組為萬(wàn)能制動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。雖然上述機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國(guó)外機(jī)械手發(fā)展的重要基礎(chǔ)。在機(jī)械手得到一定程度的發(fā)展后，從 60 年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978 年美國(guó) Unimate 公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種 Unimation-Vic.arm 型工業(yè)機(jī)械手， 裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國(guó)機(jī)器制造業(yè)是從 1970 年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
我國(guó)工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)起步較晚，比歐美要晚 30 年左右，起步于上世紀(jì)
70 年代，1972 年我國(guó)第一臺(tái)機(jī)械手在上海開發(fā)成功，隨之全國(guó)各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃開始，我國(guó)政府更加加大了對(duì)工業(yè)機(jī)器人的重視程度， 并且為此項(xiàng)目投入了大量的資金，在眾多學(xué)者及研究人員的參與下，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，其中有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人， 廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的。與此同時(shí)，一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來(lái)，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器等。
目前工業(yè)機(jī)械手在國(guó)內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，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，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，又便于更換工件，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、視覺等性能的機(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)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績(jī)。視覺功能即在機(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)。工作時(shí)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。觸覺功能即是在機(jī)械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時(shí)機(jī)械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)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(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)。
隨著機(jī)械手的發(fā)展，人們也對(duì)機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展提出了更高的要求，一是重復(fù)高精度，精度是指機(jī)械手到達(dá)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密切相關(guān)。重復(fù)精度是指如果動(dòng)作重復(fù)多次，機(jī)械手到達(dá)同樣位置的精確程度。顯然， 重復(fù)精度比精度更重要；二是模塊化，有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)裝置的氣動(dòng)機(jī)械手稱為簡(jiǎn)單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的氣動(dòng)機(jī)械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的氣動(dòng)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氣管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機(jī)械手運(yùn)動(dòng)自如。由于模塊化氣動(dòng)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)部件采用了特殊設(shè)計(jì)的滾珠軸承，使它具有高剛性、高強(qiáng)度及精確的導(dǎo)向精度。優(yōu)良的定位精度也是新一代氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要特點(diǎn)。模塊化氣動(dòng)機(jī)械手使同一機(jī)械手可能由于應(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，是氣動(dòng)機(jī)械手的一個(gè)重要的發(fā)展方向；三是無(wú)給油化，無(wú)給油化是個(gè)新提出的概念，主要是為了適應(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)問世。隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，新型材料（如燒結(jié)金屬石墨材料）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)；四是機(jī)電氣一體化，機(jī)電氣一體化的核心思想在于發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使氣動(dòng)技術(shù)從“開關(guān)控制” 進(jìn)到高度的“反饋控制”，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。
二、論文（設(shè)計(jì)）研究的內(nèi)容1.重點(diǎn)解決的問題
機(jī)械手總裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械手手部、腕部、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)控制。
2. 擬開展研究的幾個(gè)主要方面（論文寫作大綱或設(shè)計(jì)思路）
（1） 選擇機(jī)械手基本形式；
（2） 采用合適的坐標(biāo)式實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能；
（3） 設(shè)計(jì)自動(dòng)上料機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
（4） 選定機(jī)械手手部抓取的方案、腕部的回轉(zhuǎn)范圍、速度及機(jī)構(gòu)的選定，臂部回轉(zhuǎn)，升降，伸縮的方案及結(jié)構(gòu)的選定；
（5） 對(duì)總體的布局及裝配設(shè)計(jì)；
（6） 對(duì)機(jī)械手內(nèi)的零件進(jìn)行疲勞強(qiáng)度以及接觸應(yīng)力的安全系數(shù)校核。3.本論文（設(shè)計(jì)）預(yù)期取得的成果
（1） 一套完整的立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手三維模型以及其二維零件圖、裝配圖
（2） 一份立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說明書
（3） 一篇外文文獻(xiàn)翻譯
三、論文（設(shè)計(jì)）工作安排
1. 擬采用的主要研究方法（技術(shù)路線或設(shè)計(jì)參數(shù)）；
采用三維設(shè)計(jì)軟件完成立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，包括機(jī)械手總裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手手部、腕部、臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械手升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
本設(shè)計(jì)的機(jī)械手用于軸類零件精鍛自動(dòng)生產(chǎn)線上，將加熱后的坯料從運(yùn)輸車上取下搬運(yùn)到立式精鍛機(jī)上。機(jī)械手固定安裝在 JD100 立式精鍛機(jī)前。設(shè)計(jì)參數(shù)：
（1） 抓重：60 公斤
（2） 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)
（3） 自由度數(shù)：4 個(gè)
（4） 最大工作半徑：1700mm
（5） 手臂最大中心高：2300mm
（6） 手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：
手臂伸縮范圍 0-500mm
手臂伸縮速度 伸出 176mm/s 縮回 233mm/s 0-600mm
手臂升降速度 上升 100mm/s 下降 150mm/s
手臂升降范圍 0-600mm
手臂回轉(zhuǎn)范圍 0-200（實(shí)際使用為 95 ） 手臂回轉(zhuǎn)速度 60°/s
（7） 手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：
手腕回轉(zhuǎn)范圍：0-180° 手腕回轉(zhuǎn)速度：201°/s
2. 論文（設(shè)計(jì)）進(jìn)度計(jì)劃
第 1 周：布置畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)確定立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)的選題
第 2 周：根據(jù)立式精鍛機(jī)自動(dòng)上下料機(jī)械手三維設(shè)計(jì)的課題查閱相關(guān)參考文獻(xiàn)
第 3 周：準(zhǔn)備自動(dòng)上下料機(jī)械手開題報(bào)告材料
第 4 周：撰寫本課題開題報(bào)告，準(zhǔn)備開題答辯
第 5 周：查閱關(guān)于機(jī)械手的文獻(xiàn)并進(jìn)行自動(dòng)上下料機(jī)械手的方案設(shè)計(jì)
第 6 周：根據(jù)方案完成自動(dòng)上下料機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
第 7 周：自動(dòng)上下料機(jī)械手中部分零件三維設(shè)計(jì)和建模
第 8 周：自動(dòng)上下料機(jī)械手中部分零件三維設(shè)計(jì)和建模
第 9 周：自動(dòng)上下料機(jī)械手中部分零件三維設(shè)計(jì)和建模
第 10 周：將完成的機(jī)械手的三維零件進(jìn)行裝配，完成自動(dòng)上下料機(jī)械手裝配圖
第 11 周：完善并修改自動(dòng)上下料機(jī)械手的裝配圖及其零件圖
第 12 周：完成自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說明書和英文文獻(xiàn)的翻譯
第 13 周：完善并修改自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)說明書和英文文獻(xiàn)的翻譯
第 14 周：上交自動(dòng)上下料機(jī)械手說明書，英文文獻(xiàn)的翻譯及其三維裝配圖、零件圖等所有材料，并進(jìn)行論文答辯
四、需要閱讀的參考文獻(xiàn)
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附：文獻(xiàn)綜述或報(bào)告
文獻(xiàn)綜述
機(jī)械制造自動(dòng)化是制造業(yè)在長(zhǎng)期發(fā)展中追求的目標(biāo)之一，采用自動(dòng)化技術(shù)，不僅可以大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，讓企業(yè)更加適應(yīng)市場(chǎng)，提高競(jìng)爭(zhēng)力。因此，機(jī)械手便是機(jī)械制造自動(dòng)化所追求的一種高科技自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備。
機(jī)械手是指能模仿人手和臂的某些動(dòng)作功能，用以按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。機(jī)械手是最早出現(xiàn)的工業(yè)機(jī)器人，也是最早出現(xiàn)的現(xiàn)代機(jī)器人，它可代替人的繁重勞動(dòng)以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的機(jī)械化和自動(dòng)化，能在有害環(huán)境下操作以保護(hù)人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。目前， 機(jī)械手的種類大至可按驅(qū)動(dòng)方式分為液壓式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式、機(jī)械式機(jī)械手；按適用范圍可分為專用機(jī)械手和通用機(jī)械手兩種；按運(yùn)動(dòng)軌跡控制方式可分為點(diǎn)位控制和連續(xù)軌跡控制機(jī)械手等。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛，國(guó)家在工業(yè)方面也得到了迅猛發(fā)展， 機(jī)械手作為工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的一種工具，對(duì)其技術(shù)的不斷突破也變得日趨重要， 隨著制造業(yè)發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越普遍,勞動(dòng)成本的增高和制造業(yè)自動(dòng)化、智能化的進(jìn)程加快進(jìn)一步加快了工業(yè)機(jī)器人的研究和應(yīng)用。機(jī)械手由三大部分（機(jī)械部分，傳感部分，控制部分）及六個(gè)子系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，感受系統(tǒng)，機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)，人機(jī)交互系統(tǒng)，控制系統(tǒng)）所組成。
從 1960 年由通用電氣公司設(shè)計(jì)制造的造型為兩只手指的爪狀物開始，即為以后的各類機(jī)械手打下了基礎(chǔ)，到現(xiàn)在為止美國(guó)的宇航局(NASA)、哈佛大學(xué)和耶魯大學(xué)， 日本的東京大學(xué)在機(jī)械手的研究上都取得了不小的突破。我國(guó)機(jī)械手的研究比較晚但是也做了很多工作，國(guó)防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)也研制出了多指靈巧手。尤其是哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制的“仿人型機(jī)器人靈巧手”，2006 年 5 月亮相德國(guó)慕尼黑國(guó)際機(jī)器人及自動(dòng)化展覽會(huì)，以其精美的外觀、可靠的軟硬件系統(tǒng)等贏得了眾多參觀者的贊賞，并率先進(jìn)入了國(guó)際市場(chǎng)。由此可見，目前多數(shù)國(guó)家和企業(yè)高校都在對(duì)仿人機(jī)械手進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)。
在對(duì)機(jī)械手進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先要根據(jù)所得的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。不同的驅(qū)動(dòng)方式會(huì)有不同的使用功能，所產(chǎn)生的壓力大小，安全性能，氣動(dòng)元件工作壓力高低也有差異。此外，還要充分考慮到維修便捷性，造價(jià)成本，操作產(chǎn)生的噪音等問題。傳統(tǒng)機(jī)械手大多采用機(jī)械傳動(dòng)方式，由于機(jī)械式傳動(dòng)系統(tǒng)中包含變速箱、驅(qū)動(dòng)橋等體積較大部件使得機(jī)械手體積大、運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。驅(qū)動(dòng)方式一般分為液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)兩種，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)因具有體積小、重量輕、可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速且調(diào)速范圍寬、低速穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。但液壓驅(qū)動(dòng)也存在缺點(diǎn)如密封問題較大、只適用于重載、低俗驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人等。氣壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有輸出功率大、響應(yīng)速度較高、控制簡(jiǎn)單直接的優(yōu)點(diǎn)，便于減少可能錯(cuò)誤環(huán)節(jié)，減少誤差，提高精準(zhǔn)度。但其精度低，阻尼效果差，低速、控制難度過大， 控制成本過高，實(shí)現(xiàn)高精度控制不易。
白城職業(yè)技術(shù)學(xué)院張金萍教授在對(duì)自動(dòng)上料機(jī)械手的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，基于自動(dòng)上料機(jī)械手作業(yè)環(huán)境特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)性、可控性、可靠性等角度考慮，采用了雙泵供油四輪對(duì)稱驅(qū)動(dòng)方案。系統(tǒng)主要由 1 個(gè)變量軸向柱塞雙聯(lián)泵和 4 個(gè)斜盤式軸向柱塞變量馬達(dá)和行星減速器組成的車輪馬達(dá)組成。采用 X 型連接。該液壓系統(tǒng)主要由雙聯(lián)變量泵、變量馬達(dá)、補(bǔ)油泵、變量油缸、安全閥、單向閥、溢流閥等組成。作為閉式回路，當(dāng)液壓馬達(dá)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時(shí)，工作油路的高低壓也將會(huì)發(fā)生互換，因此在油路的兩個(gè)方向都必須設(shè)置安全閥，用來(lái)雙向限制系統(tǒng)的最高工作壓力。此外，系統(tǒng)中還設(shè)置了壓力切斷閥，當(dāng)閉式回路中出現(xiàn)異常高壓時(shí)，壓力切斷閥將高壓端與油箱連通，保證液壓系統(tǒng)的安全。因此，其可靠性、穩(wěn)定性較高，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、
快慢的控制、無(wú)級(jí)變速且調(diào)速范圍寬。由于組成此系統(tǒng)零件都較為常見，因此，降低了制造成本與控制成本。
在控制系統(tǒng)上，工業(yè)機(jī)器人一般都有獨(dú)立的控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和操作界面，可進(jìn)行手動(dòng)、自動(dòng)操作和編程，因此，它是一種可獨(dú)立運(yùn)行的完整設(shè)備，可通過自身的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能。整個(gè)機(jī)械手的控制，可以根據(jù)該機(jī)械手的工作特點(diǎn),采用步進(jìn)順序控制方式,使程序簡(jiǎn)化,便于調(diào)試。
常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院的丁錦宏，張慧在《可編程控制器在數(shù)控車床自動(dòng)上料機(jī)械手中的應(yīng)用》一文中，介紹了數(shù)控車床自動(dòng)上料機(jī)械手的工作要求和結(jié)構(gòu)，分析了步進(jìn)電機(jī)的控制原理和實(shí)現(xiàn)方法，提出了基于 PLC 的控制系統(tǒng)方案。根據(jù)機(jī)械手的工作過程，設(shè)計(jì)了順序控制功能圖。機(jī)械手在送料位置時(shí)，手爪中心( 即工件中心) 的位置精度取決于轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)精度和氣缸的位置精度。一般，氣缸的位置控制是利用行程開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但這種方法的定位精度較差。
該機(jī)械手使用步進(jìn)電機(jī)定位系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)，提高手爪的定位精度。PLC 對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制有三個(gè)方面。一是電機(jī)轉(zhuǎn)角控制，轉(zhuǎn)角與所輸入的控制脈沖數(shù)成正比; 二是電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，該機(jī)械手轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)速度等于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率;三是電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向控制，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向通過改變步進(jìn)電機(jī)各繞組的通電順序來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，根據(jù)實(shí)際情況，選取合適的轉(zhuǎn)速，從而確定 PLC 輸出的脈沖頻率。系統(tǒng)選用三菱 FX1N-14MR-0001 PLC 作為控制器，選用安川 CA4050 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、安川 42HD0402 步進(jìn)電機(jī)作為控制對(duì)象；用三菱 PLC 作為控制核心， 采用步進(jìn)電機(jī)以及氣缸實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床上料機(jī)械手的控制方案。在車床加工的同時(shí)進(jìn)行取料，并在靠近上料位置等待取料結(jié)束，從而縮短上料時(shí)間。操作人員只需在計(jì)算機(jī)控制界面完成相關(guān)工作參數(shù)的設(shè)置即可對(duì)機(jī)械手進(jìn)行控制。利用機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下料功能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約人力資源。
李斌在《鈑金沖壓自動(dòng)上下料機(jī)械手的研究與開發(fā)》一文中，通過利用齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)代替其自動(dòng)滑塊機(jī)構(gòu)，配備有傳送帶、電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)左右移動(dòng)的功能。將電機(jī)固定在機(jī)架傳動(dòng)側(cè)，通過齒輪齒條傳動(dòng)借助導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在水平和豎直方向上的運(yùn)動(dòng)。目前該系統(tǒng)可以完成對(duì) 2mm 厚、3kg 重的板料完成沖壓工作。整個(gè)生產(chǎn)線在運(yùn)行過程中送料精度高，同時(shí)運(yùn)行過程較為平穩(wěn)，并無(wú)太大噪音產(chǎn)生。由此可以看出，機(jī)械手運(yùn)行自動(dòng)化程度高，性能可靠，穩(wěn)定性，效率高，操作簡(jiǎn)便，控制精準(zhǔn)， 有著良好的動(dòng)態(tài)性能。
基于機(jī)械手的作用及功能，需要詳細(xì)分析機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用 D-H 參數(shù)法建立該機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。與此同時(shí)，對(duì)于材料的疲勞強(qiáng)度以及接觸強(qiáng)度進(jìn)行安全校核，機(jī)械中各零件力的傳遞，總是通過兩零件的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)。除了共形面相接觸的情況外，大量存在著異性曲面相接觸的情況；同時(shí)，由于機(jī)械手內(nèi)零件材料疲勞強(qiáng)度的特性，因此需要對(duì)零件的材料極限應(yīng)力進(jìn)行安全系數(shù)的校核以及接觸應(yīng)力的校核。對(duì)機(jī)械手進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,通過計(jì)算驗(yàn)證并校核。同時(shí)利用 SolidWorks 進(jìn)行三維建模。Solidworks 的配置功能可以開發(fā)和管理一組有著不同尺寸、零部件或者其他參數(shù)的模型，運(yùn)用配置可以的單一的文件中對(duì)零件或者裝配圖生成多個(gè)設(shè)計(jì)變化。系列零件設(shè)計(jì)表可以通過所提供的制定參數(shù)，對(duì)配置進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，以構(gòu)建多個(gè)不同配置的零件或裝配體。
隨著我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程的加快，物料的移動(dòng)、材料上下搬運(yùn)、零部件的組裝已經(jīng)成為各個(gè)行業(yè)都普遍存在的加工環(huán)節(jié)。以自動(dòng)上料機(jī)械手實(shí)現(xiàn)這些環(huán)節(jié)的自動(dòng)化對(duì)提高所有行業(yè)的加工效率都具有重要作用。不過現(xiàn)在還存在一系列問題，例如：價(jià)格昂貴， 實(shí)時(shí)性不理想，設(shè)備笨重，并且大都停留在實(shí)驗(yàn)階段，這些都制約其在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用。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，但是無(wú)論數(shù)量、品
種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。這也是我國(guó)目前工業(yè)機(jī)械手還需改進(jìn)之處。
11
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摘 要
工業(yè)機(jī)械手在目前的工業(yè)趨勢(shì)下，勢(shì)必會(huì)變得越來(lái)越受重用。它既擁有著傳統(tǒng)機(jī)械的作用，也可以通過系統(tǒng)的指令來(lái)完成規(guī)定的動(dòng)作。由于工業(yè)機(jī)械手與人不同，它不需要休息，在適當(dāng)?shù)木S護(hù)保養(yǎng)下可以長(zhǎng)時(shí)間的工作，十分高效，在工業(yè)過程中展現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力。機(jī)械手技術(shù)包含了軟件技術(shù)，機(jī)械工程，人工智能等多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)。其應(yīng)用狀況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的標(biāo)志。隨著當(dāng)下工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展與需求，由此可見，機(jī)械手將在工業(yè)中扮演著更加重要的角色。
為了解決抓取圓形坯料并將其運(yùn)輸?shù)搅⑹骄憴C(jī)上，設(shè)計(jì)了立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手。本文首先簡(jiǎn)單介紹了機(jī)械手的理論意義以及應(yīng)用價(jià)值，表述了機(jī)械手的4個(gè)自由度和整體坐標(biāo)形式。在給定了關(guān)鍵參數(shù)后，然后再對(duì)機(jī)械手的整體各結(jié)構(gòu)和機(jī)械手結(jié)構(gòu)內(nèi)的部分重要零件進(jìn)行詳細(xì)的分析和選取，并進(jìn)行一定的載荷的校核。其中選取了圓柱坐標(biāo)作為其坐標(biāo)形式，手爪部分選用了雙支點(diǎn)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)作為夾緊部分；手腕部分采取了回轉(zhuǎn)油缸，以液壓驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；手臂部分采取了相同的液壓缸結(jié)構(gòu)。并對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行了一定的分析。
其次，在選取完大致的結(jié)構(gòu)之后，本文也詳細(xì)介紹了機(jī)械手的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法。詳盡的討論了機(jī)械手手爪部、機(jī)械手手腕部、機(jī)械手手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的相關(guān)計(jì)算來(lái)確保機(jī)械手能夠可靠的抓取坯料。
最后，通過Solidworks對(duì)機(jī)械手整體進(jìn)行三維建模。
關(guān)鍵詞：機(jī)械手，液壓傳動(dòng)，Solidworks三維建模，立式精鍛機(jī)
ABSTRACT
Industrial robots will become more and more popular in the current industrial trend. It not only has the function of traditional machinery, but also can complete the prescribed actions through systematic instructions. Because industrial manipulator is different from people, it does not need rest. It can work for a long time with the proper maintenance. It is very efficient and shows great vitality in the process of industry. Manipulator technology includes software technology, mechanical engineering, artificial intelligence and other fields of technology. Its application status is the symbol of a country's industrial automation. With the development and demand of industrial automation, manipulator will act a more important role in industry.
In order to solve the grabing round billet and transport it to the vertical precision forging machine.The vertical precision forging machine with automatic feeding manipulator is designed. This paper firstly introduces the theoretical significance and application value of manipulator, and describes the four degrees of freedom and overall coordinate form of manipulator. After the key parameters are given, the whole structure of the manipulator and some important parts in the structure of the manipulator are analyzed and selected in detail, and a certain load check is carried out. The cylindrical coordinate is selected as its coordinate form, and the double pivot structure is used as the clamping part. The wrist part adopts the rotary oil cylinder, which is driven by the hydraulic drive; The arm part adopts the same hydraulic cylinder structure. And the hydraulic system is analyzed.
Secondly, after selecting the general structure, the design theory and calculation method of manipulator are introduced in detail. This paper discusses the calculation of manipulator arm, wrist, arm lifting, stretching and rotating mechanism to ensure the reliable grasping of the blank.
Finally, three-dimensional modeling of the manipulator is carried out through Solidworks.
Key words：Machine Manipulator，Hydraulic transmission, Solidworks 3D modeling,Vertical precision forging machine
目錄
摘 要 I
ABSTRACT II
1 緒論 1
2 機(jī)械手方案的選擇 3
2.1 機(jī)械手坐標(biāo)形式的確定 3
2.2 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng) 3
2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 4
2.4 機(jī)械手參數(shù)的確定 4
2.5 本章小結(jié) 4
3 機(jī)械手手部方案的確定與設(shè)計(jì) 5
3.1 手部結(jié)構(gòu)分類 5
3.2 夾鉗式手部設(shè)計(jì)的要求 5
3.3 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì) 6
3.3.1 手部夾緊裝置 6
3.3.2 手爪的力學(xué)分析 6
3.3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 7
3.4 夾緊缸尺寸計(jì)算 9
3.5 螺栓尺寸的選定 10
3.5.1 手指部螺栓的分析與計(jì)算 10
3.5.2 手架部分螺栓的分析與計(jì)算 11
3.6 手部拉緊軸的分析 11
3.6.1 軸的載荷分析和計(jì)算 11
3.6.2軸的材料的選擇 12
3.7 銷連接的設(shè)計(jì) 12
3.8 本章小結(jié) 12
4 機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
4.1 腕部設(shè)計(jì)所需滿足的要求 13
4.2 腕部結(jié)構(gòu)的選擇 13
4.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
4.3.1 腕部參數(shù)的設(shè)定 14
4.3.2 腕部驅(qū)動(dòng)條件的確定 14
4.4 腕部零件的設(shè)計(jì) 16
4.4.1 腕部軸承的設(shè)計(jì) 16
4.4.2腕部鍵的設(shè)計(jì) 16
4.5 本章小結(jié) 17
5 機(jī)械手手臂方案的確定與設(shè)計(jì) 18
5.1 滿足手臂運(yùn)動(dòng)的要求 18
5.2 機(jī)構(gòu)的選擇 18
5.3 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
5.3.1 系統(tǒng)摩擦力的計(jì)算 19
5.3.2 手臂密封裝置阻力的分析與計(jì)算 19
5.3.3 慣性力的計(jì)算 19
5.4 液壓缸壓力和結(jié)構(gòu)的分析 20
5.5 手臂部分螺栓的設(shè)計(jì) 21
5.6 手臂部分的裝配以及技術(shù)要求 21
5.7 本章小結(jié) 21
6 機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
6.1 機(jī)身整體構(gòu)思 22
6.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分析與計(jì)算 22
6.2.1 液壓缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 22
6.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸的選定 24
6.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 24
6.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算 24
6.3.2 手臂升降不自鎖條件分析計(jì)算 25
6.3.3 手臂升降時(shí)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 25
6.3.4 液壓缸尺寸的初步確定 26
6.4 回轉(zhuǎn)液壓缸結(jié)構(gòu)確定 27
6.4.1 定位桿的受力分析 27
6.4.2 定位缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 27
6.5 齒輪的計(jì)算 28
6.6 連接件的設(shè)計(jì) 29
6.6.1 回轉(zhuǎn)定位油缸鍵的選取 29
6.6.2 回轉(zhuǎn)定位油缸銷的選取 29
6.7 本章小結(jié) 29
7 機(jī)械手零部件三維建模 30
7.1 SolidWorks軟件的背景及特點(diǎn) 30
7.2 機(jī)械手的三維建模 30
7.3 本章小結(jié) 32
8 經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析 33
8.1盡量使用環(huán)保無(wú)污染材料 33
8.2系統(tǒng)高效節(jié)能設(shè)計(jì) 33
8.3本章小結(jié) 33
9 液壓系統(tǒng) 34
10結(jié)論與展望 36
參考文獻(xiàn) 37
附錄一 外文譯文 38
附錄二 外文原文 48
致謝 54
VI
1 緒論
1.1前言
機(jī)械手能夠大致實(shí)現(xiàn)與人類手臂相似的動(dòng)作，它可以在空間內(nèi)進(jìn)行物體的抓放，移動(dòng)，回轉(zhuǎn)等功能，同時(shí)也可以進(jìn)行其它操作的機(jī)械部件。機(jī)械手可以仿真人手的部分動(dòng)作，根據(jù)已輸入的語(yǔ)言或程序，來(lái)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的動(dòng)作，如回轉(zhuǎn)，升降，移動(dòng)，抓取工件等。在工業(yè)中被廣泛所應(yīng)用的機(jī)械手稱為工業(yè)機(jī)械手。它能夠更有效地完成較多的復(fù)雜高強(qiáng)度的人類無(wú)法完全勝任的工作。因此，機(jī)械手被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門[1]。近年來(lái)，隨著工業(yè)4.0的提出以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型在中國(guó)轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)模式的過程中扮演著重要角色，所以國(guó)家的工業(yè)也需要通過飛速的發(fā)展與完善。機(jī)械手作為機(jī)械生產(chǎn)中及其重要的一種工具，對(duì)其技術(shù)的不斷突破以及更新也變得越來(lái)越重要。[2]隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的需求，機(jī)械手在機(jī)械制造、冶金等部門中十分重要，特別是在高溫度、高壓力、易燃易爆以及放射性等惡劣不利人類工作的環(huán)境中來(lái)代替人類無(wú)法完全勝任的工作。因此機(jī)械手在如今的時(shí)代下?lián)碛惺謴V泛的空間以及極為有利的前景。
1.2工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展動(dòng)態(tài)和趨勢(shì)
目前工業(yè)機(jī)械手在國(guó)內(nèi)主要是發(fā)展鑄造、熱處理工藝的工業(yè)機(jī)械手，來(lái)改善工作強(qiáng)度以及條件；而在國(guó)外的機(jī)械工業(yè)中，工業(yè)機(jī)械手被廣泛的使用。例如進(jìn)行點(diǎn)焊作業(yè)的點(diǎn)焊機(jī)械手，進(jìn)行噴涂作用的噴漆機(jī)器人等。與我國(guó)機(jī)械手的不同之處在于，國(guó)外的機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)是大力研制具有智能反饋系統(tǒng)的智能機(jī)械手，使它們能夠具有一定的傳感能力[3]，并根據(jù)外界條件的變化進(jìn)行反饋?zhàn)饔?，同時(shí)作相應(yīng)的變更，使得機(jī)械手能夠進(jìn)行更加精確的反饋動(dòng)作，并根據(jù)反饋進(jìn)行適當(dāng)?shù)南乱徊降南鄳?yīng)動(dòng)作。
根據(jù)目前工業(yè)機(jī)械手的發(fā)展趨勢(shì)，人類也要對(duì)發(fā)展中的工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用與發(fā)展提出以下五點(diǎn)更高的要求：
一、重復(fù)高精度。由于時(shí)代的發(fā)展，以后機(jī)械手會(huì)使用的越來(lái)越普遍，也會(huì)越來(lái)越廣泛。因此，對(duì)機(jī)械手的精度就提出了一定的要求，需要在多次使用時(shí)保證定位的精確性[4]。
二、機(jī)械手的模塊化。模塊化的機(jī)械手相比于一般的導(dǎo)向驅(qū)動(dòng)機(jī)械手更加容易操作，也更加靈活。根據(jù)模塊的不同可以使得已經(jīng)模塊化的機(jī)械手由于它們所擁有的模塊功能不同，便會(huì)使機(jī)械手擁有不同的多樣的功能。這就令機(jī)械手的應(yīng)用范圍增大了很多，提高了機(jī)械手的多樣性[4]。
三、無(wú)給油化。無(wú)給油化是新提出的一個(gè)環(huán)保概念，這是為了達(dá)成食品、醫(yī)藥、生物工程等特殊行業(yè)的無(wú)污染要求。隨著現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展，新型環(huán)保無(wú)潤(rùn)滑材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊，不僅節(jié)省潤(rùn)滑油脂且不污染環(huán)境，系統(tǒng)簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、成本較低、壽命可靠[4]。
四、機(jī)電一體化。機(jī)電一體化的核心思想在于機(jī)械裝置與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制氣動(dòng)元件，使得機(jī)械手內(nèi)的系統(tǒng)由簡(jiǎn)單的“開關(guān)控制”進(jìn)化到高度的“反饋控制”，很大程度上提高了機(jī)電系統(tǒng)的可靠性[4]。
五、環(huán)保經(jīng)濟(jì)化。在當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展下，環(huán)保無(wú)污染已成為機(jī)械設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，所以設(shè)計(jì)的機(jī)械手為了節(jié)能減排應(yīng)該令結(jié)構(gòu)盡量的輕盈緊湊，必要時(shí)可利用二次能源或是環(huán)保可降解無(wú)污染的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1.3本章小結(jié)
本章簡(jiǎn)要的介紹了機(jī)械手在當(dāng)下的重要性、機(jī)械手的作用以及在國(guó)內(nèi)外機(jī)械手的發(fā)展動(dòng)態(tài)以及在當(dāng)今時(shí)代下的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)簡(jiǎn)單陳述了本文的研究?jī)?nèi)容和方向。
2 機(jī)械手方案的選擇
本章節(jié)介紹了機(jī)械手的坐標(biāo)以及參數(shù)，然后根據(jù)參數(shù)選擇總體方案的介紹，并列出主要性能參數(shù)和部件的基本數(shù)據(jù)。
2.1 機(jī)械手坐標(biāo)形式的確定
機(jī)械手主要有如下所述的4種基本的坐標(biāo)型式：
1. 直角坐標(biāo)式——直角坐標(biāo)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，精度高。工作位置為一條直線時(shí)十分適合選用本坐標(biāo)形式。但是其占地較多
2. 圓柱坐標(biāo)式——結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但運(yùn)動(dòng)慣性小，不占太多空間，且工作的范圍廣闊。同時(shí)定位精度也可以達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)，在很多情況下都可以選取本形式。但由于其結(jié)構(gòu)限制，不能夾取地面上的工件。
3. 球坐標(biāo)式——它具有響應(yīng)快、迅速、靈活且不占過多空間的優(yōu)點(diǎn)，工作范圍較廣。但是因?yàn)榍蜃鴺?biāo)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，手部擺動(dòng)幅度的誤差會(huì)由于手臂的前后伸縮運(yùn)動(dòng)從而引起比原先更大的中心定位誤差。
4. 關(guān)節(jié)式——具有三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，其中兩個(gè)關(guān)節(jié)軸線互相平行，它們形成一個(gè)較復(fù)雜的運(yùn)轉(zhuǎn)范圍。具有響應(yīng)迅速，工作范圍大且不占很多空間的優(yōu)點(diǎn)，并且可以通用于多種場(chǎng)合。由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以至于位置精度不容易控制。
綜上所述，本設(shè)計(jì)的立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手采用圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。
2.2 機(jī)械手的主要部件及運(yùn)動(dòng)
在選定了圓柱坐標(biāo)以后，開始分析本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械手關(guān)鍵的動(dòng)作。立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手自由度數(shù)為4，主要完成5個(gè)動(dòng)作，分別為機(jī)械手手爪的夾緊與松開、機(jī)械手手腕的回轉(zhuǎn)、機(jī)械手手臂的伸出和收縮、機(jī)械手手臂的回轉(zhuǎn)及其上升下降。
因此，本機(jī)械手主要由七個(gè)構(gòu)件、六個(gè)缸體組成：
1）機(jī)械手手臂升降機(jī)構(gòu)——采用直線式液壓缸；
2）中間座部件——采用齒輪回轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)機(jī)械手的手臂回轉(zhuǎn)；
3）手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)——采用回轉(zhuǎn)式液壓缸；
4）手臂伸縮機(jī)構(gòu)——采用直線式液壓缸；
5）夾持式手部——方案與機(jī)械手手臂的伸縮機(jī)構(gòu)相同；
6）手腕部件——方案同3）；
7）回轉(zhuǎn)定位油缸——進(jìn)行工件位置的定位。
2.3 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇
本設(shè)計(jì)中組成自動(dòng)上料機(jī)械手的關(guān)鍵部分即為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)方案以及驅(qū)動(dòng)裝置的選擇很大程度上決定了系統(tǒng)的性價(jià)比。因?yàn)閾碛胁煌膭?dòng)力源，所以工業(yè)機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)裝置就可以分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械驅(qū)動(dòng)這樣的四類[5]。根據(jù)本設(shè)計(jì)的情況進(jìn)行考慮，則本文機(jī)械手的驅(qū)動(dòng)方式為液壓驅(qū)動(dòng)。這種方式容易操控，驅(qū)動(dòng)力足夠，能夠較有效完成要求。
2.4 機(jī)械手參數(shù)的確定
機(jī)械手主要參數(shù)：
1）能夠抓取的工件質(zhì)量：
工件直徑
2）坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo)
3）自由度：
4）工作半徑的范圍：
5）手臂抬起的最高高度：
6）手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：
手臂德伸出與縮回范圍
手臂伸縮速度 伸出速度： 收縮速度：
手臂升降速度 上升 下降
手臂升降范圍
手臂回轉(zhuǎn)范圍 （這里取）
手臂回轉(zhuǎn)速度
7）手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：
手腕回轉(zhuǎn)范圍
手腕回轉(zhuǎn)速度
2.5 本章小結(jié)
本章運(yùn)用了已知的參數(shù)對(duì)整體自動(dòng)上料機(jī)械手進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)，如機(jī)械手坐標(biāo)形式、確定自由度和驅(qū)動(dòng)方式的選擇。
5
3 機(jī)械手手部方案的確定與設(shè)計(jì)
在機(jī)械手手部抓取工件時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)快，精確度高，并且具有一定的可靠性。由于機(jī)械手爪抓取工件的參數(shù)有很大的差別，例如大小、形狀、尺寸的不同，因此需要由工件的參數(shù)來(lái)決定機(jī)械手的具體結(jié)構(gòu)。
3.1 手部結(jié)構(gòu)分類
一般手爪分為夾持式以及吸附式這兩大類[6]。
按照本設(shè)計(jì)的技術(shù)參數(shù)及上文的方案分析，由于本設(shè)計(jì)的機(jī)械手所抓的坯料多為回轉(zhuǎn)型坯料，為了保證抓取的可靠性，則選取夾鉗式手部設(shè)計(jì)，本章節(jié)便只介紹夾鉗式手部。
它由機(jī)械手手指、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成[7]。可以抓性能以及尺寸各不同的回轉(zhuǎn)類零件如套筒等零件。它最常見驅(qū)動(dòng)方式的為液壓驅(qū)動(dòng)，也有氣動(dòng)或者電驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)形式[8]。常用傳動(dòng)的機(jī)構(gòu)來(lái)夾緊或放開工件。
平移型手指靠手指的平移來(lái)抓平板或是方料。在抓取各種大小不一的圓棒時(shí)，精度的影響不大。但制造時(shí)較為不便且較占空間。
回轉(zhuǎn)型手指靠回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)抓取。這類手指結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便，制造較易。因此這類手指在工業(yè)上應(yīng)用得較為廣泛。但由于工件的不同會(huì)使得精度不太高。其分類形式以及簡(jiǎn)圖如圖，一支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)型，移動(dòng)型
本文選取圖中的b）結(jié)構(gòu)作為手指結(jié)構(gòu)。
圖3.1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)類型
3.2 夾鉗式手部設(shè)計(jì)的要求
1. 夾緊力、驅(qū)動(dòng)力要足夠[9]——夾緊力若過大會(huì)對(duì)工件有一定的磨損，也可能會(huì)產(chǎn)生大量的能耗，使得系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性大大降低；相反，若力量過小則會(huì)夾持不了工件或是夾持力不夠從而產(chǎn)生松動(dòng)甚至是脫落，無(wú)法保證抓取的安全性。所以，在確定夾緊力時(shí)，需要多方面考慮系統(tǒng)的動(dòng)靜平衡以及慣性問題，保證夾緊的可靠性，防止系統(tǒng)松動(dòng)和脫落等危險(xiǎn)現(xiàn)象。
2. 機(jī)械手的手指之間應(yīng)該有足夠的開閉角度[10]——手指在工作時(shí)擁有足夠的開閉范圍則可以簡(jiǎn)單順利地抓放坯料或工件。若工件的直徑不同，則需要按直徑大的工件來(lái)進(jìn)行開閉角以及開閉范圍的考慮與選取。
3. 保證工件在手指內(nèi)的夾持精度——手指能夠較準(zhǔn)確地定位到被夾緊工件的位置。例如凸輪或是帶有曲面的等工件，保證它們可靠的位置精度是十分重要的一部分。
4. 要求擁有可靠足夠安全的強(qiáng)度和一定的剛度，防止在既有慣性力又有振動(dòng)的環(huán)境下防止零件失效（斷裂或彎曲變形）。因此也需使結(jié)構(gòu)盡量緊湊輕盈。
5. 應(yīng)考慮互換性和通用性，在大多數(shù)的情況下，機(jī)械手的手部是根據(jù)設(shè)定的要求專門設(shè)計(jì)的，為了讓其有更多的功能或作用，使其更加的通用，提高它的適用性，來(lái)適應(yīng)參數(shù)、形態(tài)各異的工件需要。也可以對(duì)機(jī)械手的零件進(jìn)行互換（滿足裝配要求與系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)即可）。
3.3 機(jī)械手手部的設(shè)計(jì)
3.3.1 手部夾緊裝置
為了完成擬定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的手指結(jié)構(gòu)在上文3.1已經(jīng)介紹，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用滑槽杠桿機(jī)構(gòu)，夾緊裝置選擇常開式，油的壓力作為驅(qū)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)拉桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，并且通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)手指的抓取運(yùn)動(dòng)。
3.3.2 手爪的力學(xué)分析
本文所選取的滑槽杠桿式手部的機(jī)構(gòu)如下圖3.2：
圖3.2 手部結(jié)構(gòu)受力分析簡(jiǎn)圖
因?yàn)閳A柱銷為平衡狀態(tài)，其受合力=0，可得出
對(duì)其進(jìn)行變形得到公式3.1
（3.1）
銷對(duì)機(jī)械手手指的反作用力為，因?yàn)槎ζ胶猓杂邢率?.2
（3.2）
由手指的平衡條件得公式3.3，
（3.3）
因?yàn)?
所以
（3.4）
由上文的分析與計(jì)算可得出結(jié)論：當(dāng)驅(qū)動(dòng)力F確定之后，如果角繼續(xù)擴(kuò)大，那么握力FN也會(huì)隨著角度的增加而增大。但角如果過大，則會(huì)導(dǎo)致活塞桿上下移動(dòng)過大，使得手爪的結(jié)構(gòu)也相應(yīng)地增大，不適合之后對(duì)其他部件的設(shè)計(jì)。因此初步確定角的范圍在之間，本設(shè)計(jì)中此角度取。
3.3.3 夾緊力及驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
保證手爪能夠可靠地抓住工件的關(guān)鍵因素在于手指的夾緊力。因此必須對(duì)力的三要素進(jìn)行具體計(jì)算分析。載荷包括重力產(chǎn)生的靜載荷以及系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)載荷。
1）最小夾緊力確定
最小夾緊力根據(jù)式3.5進(jìn)行分析與計(jì)算：
（3.5）
其中，安全系數(shù) ，工況系數(shù)根據(jù)公式3.6進(jìn)行計(jì)算
（3.6）
其中
— 最大上升加速度；
g — ；
（3.7）
— 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，此處取0.5s；
— 方位系數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況，這里取4.0；
— 坯料所受的重力，在本文中此重力均為G=mg=60x9.8=588N。
— 運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度，由前文分析可得出，，將以上結(jié)果代入公式3.7計(jì)算出加速度a=0.2；
因此，綜上所述，，，，G=588N，根據(jù)公式3.2可得出夾緊力為3598.56N。
2）夾緊缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
因?yàn)楸緳C(jī)械手設(shè)計(jì)所選取的液壓缸為單作用缸，所以其作用力可以由3.8得
(3.8)
— 活塞直徑；
— 活塞桿直徑；
— 工作壓力
上述參數(shù)單位均為SI，由此可確定驅(qū)動(dòng)力：
（2）由公式3.4可以得出公式3.9
（3.9）
將b=90mm，，a=95mm帶入上式，得
（3） 一般取效率值
由此得出
3.4 夾緊缸尺寸計(jì)算
表 3.1 液壓缸工作壓力
活塞上外力F（kN）
液壓缸工作壓力
（MPa）
活塞上外力F（kN）
液壓缸工作壓力
（MPa）
由表3.1分析，本設(shè)計(jì)中實(shí)際工作壓力，不難看出。
如圖，在缸的無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，根據(jù)公式3.10計(jì)算其內(nèi)徑
（3.10）
回油時(shí)系統(tǒng)壓力，公式可化為3.11
（3.11）
當(dāng)缸的有桿腔進(jìn)油時(shí)，根據(jù)公式3.12計(jì)算其內(nèi)徑：
（3.12）
F — 驅(qū)動(dòng)力；
P1 P2 — 此處??；
— 這里效率值??；
d — 活塞桿直徑，可利用下式3.13計(jì)算
（3.13）
表3.2 壓力與往復(fù)速度比對(duì)照表
液壓缸工作壓力
往復(fù)速度比
由于工作壓力為，所以，得
再將已知結(jié)果代入3.5可得
取，查液壓缸內(nèi)徑推薦標(biāo)準(zhǔn)JB826-66確定其內(nèi)徑，外徑推薦標(biāo)準(zhǔn)JB1086-7確定其外徑。綜上，有
液壓夾緊缸的結(jié)構(gòu)件圖見下圖3.3
圖3.3 夾緊缸結(jié)構(gòu)圖
3.5 螺栓尺寸的選定
3.5.1 手指部螺栓的分析與計(jì)算
由設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析，手部需要有螺紋緊固件對(duì)其進(jìn)行預(yù)緊。又根據(jù)前文的受力分析可知，在機(jī)械手手部受力最大螺栓其預(yù)緊力力為5382.84N，許用應(yīng)力2MPa，根據(jù)螺栓設(shè)計(jì)公式3.13
（3.14）
其中，預(yù)緊力為夾緊力5382.84N，得出d1需大于等于6.6mm，根據(jù)GB/T70.1-2016進(jìn)行取整，所以這里選用內(nèi)六角圓柱頭螺釘M8。
3.5.2 手架部分螺栓的分析與計(jì)算
機(jī)械手的手架部分需要有4個(gè)螺栓對(duì)其進(jìn)行固定，由于夾緊力在手指端部，因此，此螺栓組受傾覆力矩影響。在手指夾取工件時(shí)，手架左側(cè)螺栓被壓緊，右側(cè)螺栓被放松；當(dāng)手指放開工件時(shí)，右側(cè)螺栓被壓緊，左側(cè)螺栓被放松。根據(jù)螺栓所受最大載荷公式3.15
（3.15）
其中，根據(jù)力矩公式M=Fl得出F=5382.54N，l=345mm，得出螺栓所受的力矩為1856.98Nm。由于4個(gè)螺栓在手架均勻分布，因此=45mm。根據(jù)公式3.8可得出螺栓最大工作載荷為10316.6N。由公式3.7可得出螺栓小徑4.6mm，根據(jù)GB/T70.1-2016，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行取整，由此選取內(nèi)六角頭圓柱頭螺釘M6。
3.6 手部拉緊軸的分析
3.6.1 軸的載荷分析和計(jì)算
根據(jù)手部的分析，機(jī)械手手部的軸應(yīng)為拉緊軸，所受力為兩端的拉緊力，對(duì)于夾持式手部的結(jié)構(gòu)分析，軸中由開槽平頭緊定螺釘固定。因此，拉緊軸僅受彎矩影響，受力分析圖及其彎矩圖如圖3-4所示。由已知夾緊力為5382.54N，根據(jù)參數(shù)以及手部結(jié)構(gòu)的參數(shù)，取夾緊力距離軸為195mm，根據(jù)彎矩公式M=Fl得出彎矩為1049.595Nm。
圖3.4 軸的受力分析及其彎矩圖
如上圖所示，F(xiàn)1=F3=5382.84N，F(xiàn)2=10765.68N，所以軸所受最大載荷即為1049.595Nm。根據(jù)軸的直徑設(shè)計(jì)公式3.16
（3.16）
其中M為1049.595Nm，由前文可知，許用應(yīng)力=2MPa，因此可得出軸的直徑d6.8mm，取整則為8mm。由于這為拉緊軸，載荷分布較簡(jiǎn)單，因此不需要分段，僅需一段即可。軸的裝配圖則如圖3.5所示。
圖3.5 機(jī)械手手部拉緊軸裝配圖
3.6.2軸的材料的選擇
由于機(jī)械手手部在抓取物體時(shí)會(huì)在手爪處產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此在軸上會(huì)產(chǎn)生一定的彎矩，在軸的運(yùn)轉(zhuǎn)過程中亦會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，需要能夠抗氧化并且能夠耐一定的高溫。如上圖3-5所示，為了手部抓取不產(chǎn)生松動(dòng)或脫落，保證抓取的可靠性，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性。因此選用經(jīng)過耐熱鋼作為軸的材料。
3.7 銷連接的設(shè)計(jì)
銷按用途分為用于定位的定位銷，用于連接的連接銷等[11]。前者是機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配時(shí)十分重要的定位零件，有些銷也可以傳遞較小的載荷。
銷的類型有很多，例如圓錐銷，圓柱銷，槽銷等，這些銷都是標(biāo)準(zhǔn)件，因此可直接選用。本設(shè)計(jì)采用圓柱銷，由于圓柱銷需要進(jìn)行過盈配合從而固定在銷的孔內(nèi)，并且機(jī)械手的零部件需要卡緊以保證系統(tǒng)的安全可靠，所以選擇的過盈配合連接。在裝配前，需要對(duì)其相關(guān)精度進(jìn)行復(fù)查。
3.8 本章小結(jié)
本章介紹了機(jī)械手的結(jié)構(gòu)及其種類，并通過已選取的方案對(duì)于機(jī)械手手爪的夾緊力、液壓缸的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行分析，并根據(jù)表格選取液壓缸的內(nèi)外徑尺寸。根據(jù)已知許用應(yīng)力設(shè)計(jì)手部軸，螺栓的直徑，根據(jù)尺寸設(shè)計(jì)出可靠安全的機(jī)械手手部。
4 機(jī)械手手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械手手腕安裝在手臂部分與手爪部分之間，其作用是通過臂部的運(yùn)動(dòng)（如移動(dòng)，回轉(zhuǎn)等）來(lái)更加完善地改變或者調(diào)整機(jī)械手的手部在空間內(nèi)操作的方位，使得機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的范圍更廣，同時(shí)令機(jī)械手適應(yīng)性更強(qiáng)。
4.1 腕部設(shè)計(jì)所需滿足的要求
1. 結(jié)構(gòu)盡可能緊湊、質(zhì)量小
機(jī)械手的手腕處于機(jī)械手手臂和機(jī)械手手爪之間，則整個(gè)機(jī)械手手部的動(dòng)載荷以及靜載荷都需要由手臂部承載。因此，不難看出，手腕部的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量和其載荷分布，都會(huì)對(duì)機(jī)械手各部分產(chǎn)生影響。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，結(jié)構(gòu)需緊湊并且輕盈。
2. 合理布局其結(jié)構(gòu)
機(jī)械手的腕部是整體系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，還需要有支撐和連接的作用。所以，在能保證系統(tǒng)正常運(yùn)作的情況下，還需要能夠有足夠安全的強(qiáng)度以及剛度。除此之外，還應(yīng)結(jié)合機(jī)械手的實(shí)際情況對(duì)整體進(jìn)行全面完善的考慮并合理布局。例如機(jī)械手腕部、機(jī)械手臂部、機(jī)械手手爪部的連接。還有對(duì)于手腕部分的自由度數(shù)的檢測(cè)以及壽命、性能的分析。
3. 完整分析工作條件
根據(jù)本文參數(shù)以及條件，機(jī)械手在抓料上料至立式精鍛機(jī)上時(shí)，環(huán)境對(duì)其沒有太多的影響，而且機(jī)械手沒有在高溫高壓的惡劣環(huán)境中，亦沒有在具有腐蝕性的介質(zhì)中進(jìn)行工作。所以環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的影響不大。
4.2 腕部結(jié)構(gòu)的選擇
手腕的動(dòng)作不是很多，但由于其為連接部件，所以其結(jié)構(gòu)需要非常緊湊。在力量可以保證的前提下，質(zhì)量盡可能的要小，手腕部分所連接的手爪的夾緊機(jī)構(gòu)經(jīng)常要與手腕結(jié)構(gòu)一同考慮。
本設(shè)計(jì)條件所需要設(shè)計(jì)的機(jī)械手要求其手腕旋轉(zhuǎn)90度，1個(gè)回轉(zhuǎn)的自由度。驅(qū)動(dòng)方案已在第二章的方案分配中介紹，此處不再敘述。
4.3 腕部的設(shè)計(jì)計(jì)算
機(jī)械手的手腕在回轉(zhuǎn)時(shí)，克服以下阻力才能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)：
1. 腕部摩擦力產(chǎn)生的力矩
（4.1）
2. 回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的偏心矩
（4.2）
式中
——重心到軸線的距離（）。
3. 慣性矩
（4.3）
4. 帶動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力矩
（4.4）
4.3.1 腕部參數(shù)的設(shè)定
自動(dòng)上料機(jī)械手的手指夾緊結(jié)構(gòu)、手腕回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)這幾個(gè)結(jié)構(gòu)可以等效成為一個(gè)高100cm，直徑100mm，能夠旋轉(zhuǎn)180度的圓柱體，抓取工件的質(zhì)量為。其所受的重力為。
4.3.2 腕部驅(qū)動(dòng)條件的確定
1. 摩擦阻力矩
（4.5）
2. 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)間，此處取
s （4.6）
回轉(zhuǎn)角速度
（4.7）
3. 慣性矩
（4.8）
，
腕部質(zhì)量約為
通過式4.8：
4. 回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的偏心矩（此處可忽略）
5. 能夠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的總力矩
N·m
取效率，可計(jì)算
N·m
有上述計(jì)算可知，液壓缸回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總阻力矩，則有
對(duì)公式進(jìn)行變形，得出式
（4.9）
式中：
— 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的總力矩；
P — 系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的壓力差
R — 內(nèi)孔半徑；
r — 軸的半徑；
b — 葉片寬。
圖4.1 回轉(zhuǎn)液壓缸結(jié)構(gòu)示意圖
如上圖所示，，并由式4.9，得出
4.4 腕部零件的設(shè)計(jì)
4.4.1 腕部軸承的設(shè)計(jì)
由于手腕部是橫向放置，軸的最右端與機(jī)械手手爪部分相連接。則軸的右端所受轉(zhuǎn)矩為8Nm，腕部所受重力為132.01kg，即1293.70N，左端軸承徑向力，手腕所受重力與此轉(zhuǎn)矩相平衡。根據(jù)力學(xué)平衡公式及長(zhǎng)度可得出，=879.5N。因?yàn)槭滞鬄闄M向放置，因此軸承不受軸向載荷。選用圓錐滾子軸承即可，綜合手腕結(jié)構(gòu)考慮并根據(jù)GB/T297-2013選用32015及32013的圓錐滾子軸承。相同的，在軸的左端軸承也僅受徑向力作用且僅是定位的作用，所以可以選用深溝球軸承。根據(jù)GB/T276-2013，本設(shè)計(jì)中，缸體右側(cè)選用6015深溝球軸承，缸體左側(cè)選用6209軸承。軸承需用卡圈對(duì)其進(jìn)行一定的預(yù)緊定位作用，以此來(lái)防止軸向游隙。
本機(jī)械手中，其軸轉(zhuǎn)速并不大，且不在高溫的工作介質(zhì)中工作。因此，考慮到密封以及承受的載荷，這里采取油脂潤(rùn)滑的方式進(jìn)行潤(rùn)滑。裝脂量最適宜裝在軸承內(nèi)部空間容積的。
4.4.2腕部鍵的設(shè)計(jì)
由于軸受轉(zhuǎn)矩影響，且不受軸向力，因此選用普通平鍵進(jìn)行連接即可。根據(jù)GB/T1096-2003，擬定普通平鍵108，長(zhǎng)度取35，軸的直徑為35。根據(jù)普通平鍵連接的強(qiáng)度條件公式4.10
（4.10）
其中，根據(jù)上文分析已知轉(zhuǎn)矩為8Nm，h為8mm。則可得出其應(yīng)力為3.57MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力。因此，普通平鍵108可以滿足要求。
4.5 本章小結(jié)
本章介紹了機(jī)械手手腕部分設(shè)計(jì)的基本要求，且給出了機(jī)械手手腕的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過已知的手腕結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算出機(jī)械手腕部所受的載荷，設(shè)計(jì)出驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的液壓缸尺寸，同時(shí)分析與選用手腕部分上的軸承部分以及軸上的鍵的選取與校核，使其能夠正常驅(qū)動(dòng)，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠。
5 機(jī)械手手臂方案的確定與設(shè)計(jì)
機(jī)械手臂部運(yùn)動(dòng)的作用：帶動(dòng)手部的運(yùn)動(dòng)且支撐手腕部分及手爪部分。手部的位姿（位置及姿態(tài)）若改變，則需要利用機(jī)械手手腕部分的自由度來(lái)完成。所以，至少具備3個(gè)自由度才能滿足其運(yùn)動(dòng)要求。它們分別為手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)，升降運(yùn)動(dòng)和手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，上述的這些運(yùn)動(dòng)利用驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)完成。機(jī)械手的手臂部分在運(yùn)動(dòng)時(shí)直接承受了機(jī)械手的腕部、機(jī)械手的手部和工件的動(dòng)靜載荷。[12]所以機(jī)械手手臂的總體結(jié)構(gòu)、手臂工作的范圍及其靈活性對(duì)于系統(tǒng)性能的影響是顯而易見的。
5.1 滿足手臂運(yùn)動(dòng)的要求
1. 臂部所受載荷要足夠，質(zhì)量要盡可能的小
1)恰當(dāng)?shù)奶岣呤直鄣闹蝿偠?，支撐點(diǎn)的距離要盡量合適。
2)對(duì)手臂處的載荷詳細(xì)考慮，合理布局。
3)采取更精密的公差配合
2. 臂部速度快，慣性盡量減少
機(jī)械手在確定了行程范圍、生產(chǎn)節(jié)拍后，便可知其速度大小。因此上述的兩個(gè)參數(shù)需要盡量大。機(jī)械手臂部的質(zhì)量也需要一定的減少。可以通過下列三種方法來(lái)減少慣性：
1） 采用密度較低的材料如鋁合金等，減少重量；
2） 對(duì)手臂輪廓的尺寸進(jìn)行一定的縮?。?
3） 手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)盡量在較小的前伸位置下，減小手臂的回轉(zhuǎn)半徑；
3. 手臂不能自鎖
由于系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)若不平衡，那么系統(tǒng)很有可能由于摩擦以及動(dòng)平衡的原因產(chǎn)生自鎖現(xiàn)象，這就需要對(duì)系統(tǒng)不自鎖的條件進(jìn)行考慮，使得手臂能夠順利完成其工作。
5.2 機(jī)構(gòu)的選擇
根據(jù)實(shí)際情況以及本文所設(shè)定的參數(shù)可知，此處選擇類似雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，并且采用雙作用液壓缸進(jìn)行液壓驅(qū)動(dòng)。由于希望增加伸縮運(yùn)動(dòng)的距離，因此這里將伸縮機(jī)構(gòu)更改為燕尾型導(dǎo)軌。
5.3 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算
先根據(jù)前文已知的參數(shù)和已設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)對(duì)本章的系統(tǒng)進(jìn)行大致的估計(jì)，并初步計(jì)算設(shè)計(jì)出一個(gè)結(jié)構(gòu)，并且可以類比與之相似的結(jié)構(gòu)，重新進(jìn)行系統(tǒng)的完善。根據(jù)不斷地分析，便可設(shè)計(jì)出其結(jié)構(gòu)。
液壓驅(qū)動(dòng)力可通過公式進(jìn)行計(jì)算
（5.1）
5.3.1 系統(tǒng)摩擦力的計(jì)算
由前文可知，本設(shè)計(jì)選取燕尾式導(dǎo)軌，此時(shí)的計(jì)算公式為：
（5.2）
— 所有構(gòu)件重力；
— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，可根據(jù)下式5.3計(jì)算：
（5.3）
— 鋼對(duì)青銅時(shí)取摩擦系數(shù)
— 導(dǎo)軌的夾角：
若，
若，
手腕質(zhì)量大約為200kg，所受重力，手臂質(zhì)量約為，則其所受重力，機(jī)械手抓取的工件，所受重力，進(jìn)行計(jì)算可知
5.3.2 手臂密封裝置阻力的分析與計(jì)算
前文第三章已分析系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)壓力為，所以有下式5.4；
（5.4）
F為系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)力。
5.3.3 慣性力的計(jì)算
慣性力計(jì)算公式如式5.5：
（5.5）
式中
—運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下零件的重力；
— 重力加速度，此處仍取
— 臂部伸出的速度；
— 機(jī)械手手臂系統(tǒng)啟動(dòng)過程的時(shí)間，一般可取。
本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)上料機(jī)械手根據(jù)參數(shù)分析可知其不屬于重載，且運(yùn)轉(zhuǎn)速度不快，又由于參數(shù)臂部伸出的=0.233m/s，所以這里取=0.2s，代入上式，得
取=0.05F，將以上的計(jì)算結(jié)果代入公式 （5.1）
可以得出
則
F=2147.12N
5.4 液壓缸壓力和結(jié)構(gòu)的分析
在已知驅(qū)動(dòng)力之后，根據(jù)表3.1選擇液壓缸的工作壓力P=1MPa。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.1。
圖5.1液壓缸結(jié)構(gòu)圖
此處液壓缸的內(nèi)徑計(jì)算方式以及選定方式如同章節(jié)3.4，因此這里僅列出計(jì)算結(jié)果，過程不再詳細(xì)敘述。
解此方程可得出
D2=61.8mm
取D1，D2中的最大值，并根據(jù)液壓缸推薦標(biāo)準(zhǔn)，取內(nèi)外徑標(biāo)準(zhǔn)值，則D=80mm，d=30mm。
5.5 手臂部分螺栓的設(shè)計(jì)
根據(jù)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，螺栓組是由6個(gè)承受橫向載荷的螺栓連接，總受力為2147.12N，根據(jù)每個(gè)螺栓受力公式5.11可得每個(gè)螺栓受力為214.71N。
（5.7）
可得每個(gè)螺栓受力為214.71N。根據(jù)螺栓的預(yù)緊力公式5.12
（5.8）
為材料的摩擦系數(shù)，取值范圍為，此處取值。f是接合面的摩擦系數(shù)，因?yàn)槁菟ǖ牟牧蠟殇摚瑫r(shí)查取參考文獻(xiàn)11，得此處的摩擦系數(shù)為0.4，螺栓數(shù)量為6個(gè)，z=6，i為接合面數(shù)，結(jié)構(gòu)中螺栓連接了兩個(gè)面則有i=2，由此得出螺栓所需預(yù)緊力為322.07N。再由螺栓設(shè)計(jì)公式3.7，計(jì)算出出螺栓小徑需要大于8.1mm，對(duì)計(jì)算結(jié)果根據(jù)GB/T70.1-2016進(jìn)行取整，因此這里選取M10的內(nèi)六角圓柱頭螺釘進(jìn)行緊固連接。
5.6 手臂部分的裝配以及技術(shù)要求
手臂回轉(zhuǎn)部分依靠上端蓋與手臂的伸縮機(jī)構(gòu)相連接。對(duì)于本設(shè)計(jì)的手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主軸的軸承進(jìn)行密封，根據(jù)GB/T3452.1-2005，利用O型橡膠密封圈155x5.3進(jìn)行密封，各密封件裝配之前需浸透油。
手臂升降部分在螺紋緊固件緊固時(shí)，必須使用合適的旋具或扳手。在進(jìn)行液壓系統(tǒng)的裝配時(shí)可以用密封填料，但需要防止泄露進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)。
5.7 本章小結(jié)
本章介紹了機(jī)械手手臂設(shè)計(jì)的基本要求，根據(jù)參數(shù)選擇手臂設(shè)計(jì)的方案并通過摩擦阻力，慣性力，重力等的力學(xué)分析設(shè)定了手臂驅(qū)動(dòng)液壓缸的內(nèi)徑與外徑。并對(duì)一定的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)與選取。同時(shí)也對(duì)手臂部分的技術(shù)要求作了一定的介紹。
6 機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械手機(jī)身的作用既能夠直接支撐手臂，也能夠驅(qū)動(dòng)手臂。在一般情況下，它能完成手臂部分的運(yùn)動(dòng)，如回轉(zhuǎn)和升降。安裝在機(jī)械手部件上是它們的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。機(jī)身的形式較多，在大多數(shù)情況下，為固定的機(jī)身，特別的機(jī)身也可以沿著軌道工作。
6.1 機(jī)身整體構(gòu)思
根據(jù)本設(shè)計(jì)的參數(shù)以及本設(shè)計(jì)的要求，機(jī)械手需要實(shí)現(xiàn)其手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一般來(lái)說，在機(jī)身處設(shè)置機(jī)械手臂的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。為了使得設(shè)計(jì)得合理安全可靠，因此就要進(jìn)行綜合的考慮及分析。
機(jī)身是機(jī)械手的重要組成部分，它能夠?qū)C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生極大的影響。比較普遍的機(jī)身結(jié)構(gòu)有回轉(zhuǎn)缸位于升降下的結(jié)構(gòu)，其承受力矩大，但精度不能保證；回轉(zhuǎn)缸位于升降上的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)緊湊，但質(zhì)量較大。
綜上，并進(jìn)行綜合考慮，本設(shè)計(jì)采取第二種結(jié)構(gòu)即回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)的機(jī)械手包括了機(jī)械手機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)械手升降運(yùn)動(dòng)這兩種運(yùn)動(dòng)。回轉(zhuǎn)系統(tǒng)液壓缸的主轉(zhuǎn)軸與升降系統(tǒng)液壓缸共用一個(gè)活塞桿。選用空心的活塞桿，活塞桿內(nèi)裝一個(gè)花鍵套，軸與此花鍵采取基孔制過盈配合，活塞的升降運(yùn)動(dòng)通過花鍵軸來(lái)帶動(dòng)?；ㄦI軸和升降液壓缸缸體的下端蓋用普通平鍵進(jìn)行連接固定，下端蓋和連接地面的系統(tǒng)底座來(lái)進(jìn)行固定。這樣就定位了花鍵軸，同時(shí)也利用了花鍵軸完全定位了活塞桿[13]。此結(jié)構(gòu)由于活塞桿在內(nèi)部所以十分緊湊。
由于前文已分析驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，此處也使用液壓驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。為了能夠使葉片回轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)液壓缸利用進(jìn)油孔和排油孔分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)即可。回轉(zhuǎn)的角度大小一般通過擋塊確定。根據(jù)本設(shè)計(jì)的條件，就意味著回轉(zhuǎn)葉片之間所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大小，為了達(dá)成設(shè)計(jì)的基本要求，本設(shè)計(jì)采用動(dòng)靜片之間回轉(zhuǎn)的角度為。
6.2 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的分析與計(jì)算
6.2.1 液壓缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算
回轉(zhuǎn)液壓缸的大致尺寸與結(jié)構(gòu)如圖6.1所示。且驅(qū)動(dòng)力矩需要滿足式6.1
圖6.1 機(jī)身的力學(xué)分析與大致尺寸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
（6.1）
一般， 根據(jù)式6.2進(jìn)行計(jì)算；
（6.2）
式中
；
— 啟動(dòng)時(shí)間；
J0 — 手臂在其回轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（N·m·s2）。
當(dāng)其回轉(zhuǎn)時(shí)，手臂零件重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為，則其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可通過公式進(jìn)行計(jì)算
（6.3）
式中
Jc — 回轉(zhuǎn)零件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可根據(jù)6.4計(jì)算
； （6.4）
— 回轉(zhuǎn)缸的背壓力矩，
此處可以近似為零。
回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)近似視為長(zhǎng)，的圓柱體，，，取，
N·m·s2
N·m·s2
由式6.2計(jì)算：
N·m
又根據(jù)式6.1計(jì)算，最終解出結(jié)果
N·m
6.2.2 回轉(zhuǎn)缸尺寸的選定
（6.5）
對(duì)上式進(jìn)行變形得出式
（6.6）
擬取，，，代入式得
132mm
根據(jù)液壓缸推薦標(biāo)準(zhǔn)系列，取標(biāo)準(zhǔn)值D=150mm。
6.3 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算
6.3.1 手臂偏重力矩的計(jì)算
由前文可知，N，偏重力臂mm。
偏重力矩由公式
（）
將已知數(shù)據(jù)代入上式，得
6.3.2 手臂升降不自鎖條件分析計(jì)算
手臂在其重力的作用下會(huì)有向下的運(yùn)動(dòng)，而立柱的導(dǎo)套防止這種趨勢(shì)，如圖6.1所示。
根據(jù)兩力平衡的條件可知
（6.8）
即
（6.9）
而系統(tǒng)不自鎖的條件為：
（6.10）
即
一般取f=0.15，則
（6.11）
當(dāng)mm時(shí)
mm
根據(jù)上述的分析，可得出結(jié)論：導(dǎo)套高度最小高度為，根據(jù)綜合情況分析取。
6.3.3 手臂升降時(shí)驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算
（）
取。
余下參數(shù)的的計(jì)算同上。
（1） 的計(jì)算
（）
由前文參數(shù)以及分析可得，速度,，約為，根據(jù)式
N
（2）
N
推出
N
（3）
根據(jù)密封方式取得
（4）
最終得出總驅(qū)動(dòng)力
6.3.4 液壓缸尺寸的初步確定
由上文分析可得
取，則應(yīng)得出，查閱液壓缸內(nèi)徑推薦標(biāo)準(zhǔn)得：
6.4 回轉(zhuǎn)液壓缸結(jié)構(gòu)確定
定位油缸的作用為在手臂回轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行定位。其進(jìn)油方式是單口進(jìn)油，出油方式為單口出油。
6.4.1 定位桿的受力分析
圖 6.2 桿的力學(xué)分析
如上圖，桿所受力為
由圖進(jìn)行分析可得
6.4.2 定位缸的設(shè)計(jì)計(jì)算
由前文介紹已知，液壓缸的工作壓力，
則本節(jié)的定位缸內(nèi)徑為
因此取，根據(jù)液壓小徑推薦標(biāo)準(zhǔn)選取小徑為，定位缸的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6.3所示
圖6.3 回轉(zhuǎn)定位油缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
6.5 齒輪的計(jì)算
本設(shè)計(jì)中采用直尺圓柱齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，取輸入功率為10kw，由于本設(shè)計(jì)僅考慮傳動(dòng)，所以選用兩個(gè)相同齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。齒輪轉(zhuǎn)速為960r/min，壓力角取，精度取級(jí)，根據(jù)參考文獻(xiàn)11，材料選用40Cr，熱處理采用調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度為280HBS。
選齒輪齒數(shù)為。根據(jù)齒面疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式
（6.16）
其中，取，，u取3.2，選取，，查閱參考文獻(xiàn)11的表10-5得出彈性影響系數(shù)。同時(shí)計(jì)算重合度系數(shù)。
查參考文獻(xiàn)11可知齒輪的接觸疲勞極限為550MPa，根據(jù)安全性以及壽命的考慮，取其接觸疲勞許用應(yīng)力為520MPa。因此，將上列已知參數(shù)帶入公式6.16中，得出
再對(duì)分度圓直徑進(jìn)行一定的調(diào)整，其中齒輪的圓周速度，齒寬=60.9mm，根據(jù)參考文獻(xiàn)11得：
，根據(jù)修正分度圓公式=65.44，則模數(shù)。所以，齒輪的模數(shù)，齒數(shù)，分度圓直徑。精度與壓力角如上文所述。
6.6 連接件的設(shè)計(jì)
6.6.1 回轉(zhuǎn)定位油缸鍵的選取
由于軸受轉(zhuǎn)矩影響，因此利用普通平鍵進(jìn)行連接即可。查閱鍵的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1096-2003，擬定選用普通平鍵，長(zhǎng)度l取20，軸的直徑為25且軸為基孔制配合。根據(jù)前文公式4.6
（4.10）
其中，力為F/2=5520N，轉(zhuǎn)矩為55200.0875=483Nm，h為7mm。則可得出其應(yīng)力為110MPa，可承受靜載荷以及輕微沖擊，滿足要求。因此，普通平鍵87可以滿足要求。
6.6.2 回轉(zhuǎn)定位油缸銷的選取
由于圓錐銷在受到橫向力的時(shí)候會(huì)進(jìn)行自鎖現(xiàn)象。安裝拆卸較方便，精度較高，可進(jìn)行多次的拆卸與裝配，且對(duì)精度沒有影響。所以本設(shè)計(jì)根據(jù)GB/T117-2000選取圓錐銷B845進(jìn)行連接。
6.7 本章小結(jié)
本章提出了機(jī)身的整體設(shè)計(jì)方案，并且在此基礎(chǔ)上確定選取了回轉(zhuǎn)液壓缸以及回轉(zhuǎn)定位缸的尺寸。在對(duì)于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案完成后，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的部分重要零件（如齒輪）以及連接件（鍵，銷）進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)計(jì)算，選取適合本方案的零件。
7 機(jī)械手零部件三維建模
在本設(shè)計(jì)方案完全確定后，便開始對(duì)設(shè)計(jì)的立式精鍛機(jī)自動(dòng)上料機(jī)械手進(jìn)行三維建模。本設(shè)計(jì)通過Solidworks軟