五自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計

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1、五自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計 不要刪除行尾的分節(jié)符，此行不會被打印 目錄 第1章 緒論1 1.1課題背景及研究現(xiàn)狀1 1.2 機(jī)械手的研究意義及其本身優(yōu)點(diǎn)2 1.2.1 機(jī)械手的研究意義2 1.2.2 機(jī)械手本身的優(yōu)點(diǎn)2 1.3本章小結(jié)3 第2章 總體方案設(shè)計4 2.1設(shè)計目標(biāo)4 2.2總體方案分析4 搬運(yùn)機(jī)械手的組成4 三大系統(tǒng)設(shè)計分析4 2.3搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動及驅(qū)動方式5 2.4本章小結(jié)7 第3章 基本參數(shù)及二維外觀圖8 3.1基本參數(shù)8 3.2總體外觀圖8 外觀圖簡圖8 液壓原理設(shè)計圖截圖9 3.3本章小結(jié)10 第4章 各部分的具體計算11 4

2、.1 手部夾持器的計算11 手部夾持器設(shè)計要求11 手部夾持器設(shè)計計算11 端蓋螺釘校核12 4.2腕部回轉(zhuǎn)油缸計算13 4.3小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計17 4.4俯仰缸設(shè)計20 4.5大臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計22 4.6大臂升降結(jié)構(gòu)設(shè)計24 4.7手部驅(qū)動油缸油孔尺寸計算26 4.8腕部回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定26 4.9大臂回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定27 4.10大臂升降油缸油孔尺寸確定27 4.11伸縮臂油缸油孔尺寸確定27 4.12本章小結(jié)28 第5章 各油缸活塞桿校核29 5.1 手部驅(qū)動油缸活塞桿校核29 5.2 腕部回轉(zhuǎn)油缸活塞桿校核29 5.3 伸縮油缸活塞桿校核30

3、5.4 俯仰油缸活塞桿校核30 5.5 本章小結(jié)31 第6章 總體三維圖32 6.1 總體三維圖32 6.2 本章小結(jié)33 結(jié)論34 致謝35 參考文獻(xiàn)36 附錄38 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(diǎn)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課題背景及研究現(xiàn)狀 機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化裝置，它綜合運(yùn)用了機(jī)械與精密機(jī)械、微電子與計算機(jī)、自動控制與驅(qū)動、傳感器與信息處理以及人工智能等多學(xué)科的最新研究成果，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和各行各業(yè)對自動化程度要求的提高，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速發(fā)展，出

4、現(xiàn)了各種各樣的機(jī)器人產(chǎn)品。機(jī)器人產(chǎn)品的實(shí)用化，既解決了許多單靠人力難以解決的實(shí)際問題，又促進(jìn)了工業(yè)自動化的進(jìn)程。目前，由于機(jī)器人的研制和開發(fā)涉及多方面的技術(shù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開發(fā)和研制的成本普遍較高，在某種程度上限制了該項技術(shù)的廣泛應(yīng)用，因此，研制經(jīng)濟(jì)型、實(shí)用化、高可靠性機(jī)器人系統(tǒng)具有廣泛的社會現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價值。 機(jī)械手自六十年代以來問世以來，發(fā)展非常迅速。目前，第二代產(chǎn)品，微機(jī)控制、直流電動機(jī)驅(qū)動的小型工業(yè)機(jī)械手已成產(chǎn)品。 美國是最早研制和應(yīng)用機(jī)械手的國家，早在1967年就定型批量生產(chǎn)了UNIMATE4000型前身。1969年美國通用汽車公司自行研制了 SAM工業(yè)機(jī)械手，并用21臺機(jī)器手

5、組成了點(diǎn)焊轎車車身的自動生產(chǎn)線。70年代，美國克萊斯勒汽車公司的32條沖繩自動線的448臺沖床，全部采用了機(jī)械手傳送工件。 日本機(jī)械手工業(yè)雖比美國起步晚（六十年代后期），但是發(fā)展速度更快，根據(jù)統(tǒng)計，1982年日本擁有工業(yè)機(jī)械手共13000余臺，生產(chǎn)廠家近200家。 此外，瑞典、挪威、德國、意大利、俄國等國家也是發(fā)展迅速，例如挪威的TRLLFA公司生產(chǎn)的機(jī)械手，瑞典的ASEA公司、ELECTROLUX公司和KAVIELDT公司生產(chǎn)的機(jī)械手，德國的VOLKSVAGEN公司生產(chǎn)的機(jī)械手在歐洲市場，甚至在北美市場都占有很大的比重。 工業(yè)機(jī)械手可以代替人手的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強(qiáng)度，提高

6、勞動生產(chǎn)率和自動化水平。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的笨重工件的搬運(yùn)和長期頻繁，單調(diào)的操作，如果沒有機(jī)械手那么工人的勞動強(qiáng)度是很高的，有時候還要用行車員工件，生產(chǎn)速度大大延緩，這種情況采用機(jī)械手是很有效的。此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、反射性和其他有毒、有污染環(huán)境條件上進(jìn)行操作。更顯其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。 工業(yè)機(jī)械手的主要應(yīng)用領(lǐng)域是機(jī)械加工過程中的上、下料及搬運(yùn)、裝配、焊接、沖壓、樹脂成型加工及其熱處理、鍛壓等。 表1-1機(jī)械手在各個行業(yè)所占比例（%） 年份 裝 配 弧焊 噴漆 點(diǎn)焊 樹脂成型 鍛

7、鑄熱處理 機(jī)械加工 其他 2000 9.8 7.3 4.9 11.4 7.3 20.4 22.8 16.1 2005 16.5 11，0 4.9 9.6 4.5 22.2 14.2 22.2 2010 21.7 10.5 5.1 7.5 3.3 22.3 13.1 16.5 1.2 機(jī)械手的研究意義及其本身優(yōu)點(diǎn) 機(jī)械手的研究意義 機(jī)械人手技術(shù)是近30年來發(fā)展比較快的一種新技術(shù)，機(jī)械手是一門新興的的綜合性科學(xué)，他設(shè)計機(jī)械設(shè)計制造控制工程計算機(jī)傳感技術(shù)仿真生學(xué)，人工智能等領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)械手是實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化的重要設(shè)備，它

8、本身是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品。 工業(yè)機(jī)械手能模仿人肢體的一些動作，可以代替人的一些動作，代替人們進(jìn)行工作，一次機(jī)械手自問世以來就受到人們的寵愛而且性能不斷完善，各種優(yōu)良的機(jī)械手不斷出現(xiàn)操作越來越靈活，在一些方面與人手相比，幾乎達(dá)到了以假亂真的程度，加之各種技能的應(yīng)用，使得機(jī)器人有了自己的頭腦能不受控制而獨(dú)立的處理一些問題，因此其應(yīng)用越來越廣泛。 機(jī)械手本身的優(yōu)點(diǎn) 搬運(yùn)機(jī)械手是機(jī)器人家族中的重要一員，其應(yīng)用最廣泛，在自動化流水線生產(chǎn)中勞動強(qiáng)度最大，工作條件差，熱塵煙霧毒氣等使得環(huán)境惡化，使得人的工作受到了種種限制，此時搬運(yùn)機(jī)械手則能夠迎難而上，獨(dú)樹一幟，而且其能不知疲倦的工作，搬運(yùn)機(jī)械手具

9、有許多人沒法相比的優(yōu)點(diǎn)： （1）工作時間持久，不會出現(xiàn)人的疲勞，可以重復(fù)不間斷的勞動，能持流水線的持續(xù)工作。 （2）對環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，特別能在多粉業(yè)，以燃燒以爆炸放射性等惡劣環(huán)境下工作。 （3）運(yùn)動靈活精確，能夠延伸到人手所不能到達(dá)的空間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工作，而不受外界因素的干擾。 （4）通用性好，本搬運(yùn)機(jī)械手在設(shè)計過程中，考慮到其通用性，因此留有余地，因此除搬運(yùn)外，還可以焊接噴漆等。 （5）工作效率高，提高了勞動生產(chǎn)效率，同時也降低了成本。 諸多的優(yōu)點(diǎn)為機(jī)械人的廣泛應(yīng)用開辟了廣闊的前景，而我國在這些方面還處于初始階段，因此需要更進(jìn)一步發(fā)展，本次的設(shè)計是對大學(xué)四年所學(xué)知識的鞏固與綜合應(yīng)用

10、。 1.3本章小結(jié) 本章介紹了五自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計研究背景及其研究現(xiàn)狀，列舉了一些國家的研究成果，重點(diǎn)講述了機(jī)械手的研究在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用領(lǐng)域，還介紹了機(jī)械手的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景。 第2章 總體方案設(shè)計 2.1設(shè)計目標(biāo) 設(shè)計一種五自由度搬運(yùn)機(jī)器手，包括機(jī)器手的總體設(shè)計，移動方式設(shè)計，動作規(guī)劃設(shè)計，三維造型設(shè)計等。 重點(diǎn)是機(jī)器手的結(jié)構(gòu)設(shè)計，即如何在綜合考慮機(jī)器人的功能和特性要求后，能夠完整的設(shè)計出合理而優(yōu)化的機(jī)器手。 功能指標(biāo)包括：機(jī)械手的各部件的升降、轉(zhuǎn)動，對壓力的敏感反映等，使得機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)到達(dá)任何位置的升降、轉(zhuǎn)動，同時具有重量輕，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。 由于本設(shè)計并沒有工業(yè)實(shí)際

11、的問題的要求，也就是沒有要功能模塊的具體設(shè)計，并且，設(shè)計者所希望的創(chuàng)新性也大過實(shí)用性?；谝陨显?，本設(shè)計暫不考慮對于功能模塊的搭載問題，僅僅討論并設(shè)計一種合理可行、盡可能優(yōu)化了的五自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手。 2.2總體方案分析 搬運(yùn)機(jī)械手的組成 控制系統(tǒng) 執(zhí)行系統(tǒng) 驅(qū)動系統(tǒng) 圖2-1組成框架圖 參考諸多的搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計理念，以及對于本題目——五自由度搬運(yùn)機(jī)械手的理解，現(xiàn)將總體分為五大部件，分別為：大臂升降結(jié)構(gòu)、大臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、伸縮臂結(jié)構(gòu)、小臂伸縮結(jié)構(gòu)、手爪回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、手爪伸縮結(jié)構(gòu)。 三大系統(tǒng)設(shè)計分析 1．控制系統(tǒng) 此系統(tǒng)是控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)工作從而實(shí)現(xiàn)按預(yù)定程序進(jìn)行工作的機(jī)構(gòu)，并

12、通過位置檢測的反饋來檢測工作的精度，從而保證能正確實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的運(yùn)動，迅速準(zhǔn)確的完成機(jī)械手的運(yùn)動，包括程序控制部分和行程反饋部分。 2．驅(qū)動系統(tǒng) 用來為各個部件的運(yùn)動提供動力，是實(shí)現(xiàn)一切運(yùn)動的動力來源，有氣動、液動電動和機(jī)械式四種形式，根據(jù)設(shè)計要求和各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本機(jī)械手采用液壓驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，五個自由度。 3．執(zhí)行系統(tǒng) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成各種動作的總稱，具體包括以下幾個部分 （1）手部：直接與工件接觸的部分，根據(jù)設(shè)計要求，本機(jī)械手的手部用夾鉗式，用來抓取工件，或用來支撐焊條，噴槍（手部用法蘭連接，可以拆換，更換手部，以滿足工作需要） （2） 腕部連接手部和臂部的工件用來調(diào)整被抓取物體

13、的方位 （3）臂部：支撐被抓物體的手部和腕部的重要部件，帶動手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到指定位置。 （4）腰部:機(jī)身是支撐機(jī)器手所有部件的部位及其零件，是整個機(jī)械手的基礎(chǔ)。 2.3搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動及驅(qū)動方式 1．機(jī)械手的運(yùn)動 機(jī)械手的運(yùn)動包括自由度數(shù)和運(yùn)動范圍 本機(jī)械手采用雙抓，這是因?yàn)樗哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)： (a) 運(yùn)動靈活 (b) 工作空間大 (c) 關(guān)節(jié)驅(qū)動處容易密封，防塵 (d) 作效力大大的提高了 (e) 工作要求低 2．自由度數(shù) 自由度是機(jī)械手設(shè)計中的重要參數(shù)，每個運(yùn)動部件所具有的獨(dú)立運(yùn)動的數(shù)目稱為自由度，自由度是衡量機(jī)械手設(shè)計水平的重要指標(biāo)，自由度越

14、多的機(jī)械手能完成的運(yùn)動越復(fù)雜，技術(shù)難度越大，控制定位越困難，安裝越復(fù)雜，成本高，因此在具體問題中盡量減少自由度，本機(jī)械手是考慮到選用腕部來回轉(zhuǎn)，小臂伸縮，小臂俯仰，大臂回轉(zhuǎn)，大臂升降等5個自由度完全滿足工作要求。 3．運(yùn)動范圍 關(guān)節(jié)3結(jié)構(gòu)的運(yùn)動范圍和形狀取決于大臂和小臂的長度比，本機(jī)械手大臂長600mm，小臂長800mm，具體范圍見后圖。圖中矩形為包容區(qū)域 圖2-2 機(jī)械手水平面的運(yùn)動范圍 圖2-3 空間轉(zhuǎn)動范圍 4．運(yùn)動傳動方式 運(yùn)動傳動方式是將動力源的運(yùn)動傳遞到實(shí)現(xiàn)自由度運(yùn)動的過程，本設(shè)計中將直線油缸的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞出去，針對結(jié)構(gòu)的需要和驅(qū)動力的大小

15、，各自由度的運(yùn)動采用不同的傳遞方式，大臂回轉(zhuǎn)，腕部回轉(zhuǎn)都采用回轉(zhuǎn)油缸，小臂俯仰、小臂伸縮、大臂升降都采用直線油缸。 5．機(jī)械手的驅(qū)動方式 采用液壓驅(qū)動的優(yōu)點(diǎn)是： （1） 速度反映性好 ; 因?yàn)楸或?qū)動部件的速度快慢取決于油液容積變化，所以當(dāng)不考慮溫度變化的時候，被驅(qū)動系的滯后幾乎不存在，而且液壓機(jī)構(gòu)的重量輕，慣性小，他的速度反應(yīng)性好。 （2） 調(diào)速范圍大，還可以無極調(diào)速，適用于不同的工作要求。 （3） 傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)比較頻繁而平穩(wěn)換向。 （4） 在產(chǎn)生相同驅(qū)動力的條件下，液壓驅(qū)動比其他驅(qū)動方式體積小， （5） 定位精度高 （6） 驅(qū)動力或力矩大 存在的不利因

16、素有： （1）液壓系統(tǒng)存在泄漏對機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性有一定的影響 （2）油液中如果混有空氣將降低傳動機(jī)構(gòu)的剛性，影響定位精度，產(chǎn)生爬行 （3）油液的溫度和黏度的變化影響傳動的性能 2.4本章小結(jié) 本章對總體方案的設(shè)計進(jìn)行了確定，規(guī)劃了搬運(yùn)機(jī)械手的三大組成部分，進(jìn)而對三大組成部分進(jìn)行了設(shè)計分析，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動方式及其驅(qū)動源，設(shè)計了運(yùn)動范圍及回轉(zhuǎn)角度，對液壓驅(qū)動方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較。 第3章 基本參數(shù)及二維外觀圖 3.1基本參數(shù) 1.名稱： 工業(yè)機(jī)械手 2.主要用途： 搬運(yùn) 3.自由度數(shù)：5 （腕部轉(zhuǎn)動、小臂伸縮、小臂俯仰、大臂回轉(zhuǎn)、大臂升降 ） 4.抓重：最大 5Kg

17、 5．工作范圍與速度 工作范圍與速度如下表3-1 運(yùn)動自由度 動作范圍 速度 腕部回轉(zhuǎn) -90°—90° 45°/s 小臂伸縮 0—300mm 0.05m/s 小臂俯仰 0—100mm 0.05m/s 大臂回轉(zhuǎn) -90°—90° 15°/s 大臂升降 0—120mm 0.05m/s 6. 控制方式：PTP/CP 7. 重復(fù)定位精度：+2mm 8. 驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動 9. 驅(qū)動源 ：液壓油泵 3.2總體外觀圖 3.2.1外觀圖簡圖 圖3-1 機(jī)械手結(jié)構(gòu)簡圖 1—手腕 2—小臂 3—俯仰缸 4—大臂 3.

18、2.2液壓原理設(shè)計圖截圖 圖3-5 液壓控制工作原理圖 表3-2電磁鐵動作循環(huán)表 現(xiàn)將本機(jī)械手的工作順序過程介紹如下： （1） 電磁鐵11通電，大臂旋轉(zhuǎn)油缸順時針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)大臂周向定位 （2） 電磁鐵9通電，大臂升降油缸伸出，實(shí)現(xiàn)大臂軸向定位 （3） 電磁鐵7通電，伸縮臂伸縮缸伸出，實(shí)現(xiàn)伸縮臂軸線定位 （4） 電磁鐵5通電，小臂伸縮缸伸出，實(shí)現(xiàn)小臂的軸向定位 （5） 小臂到達(dá)伸出一定距離，碰到行程開關(guān)14，之后將電磁鐵3接通實(shí)現(xiàn)手爪旋轉(zhuǎn)缸體的運(yùn)動。 （6） 電磁鐵3通電，手爪旋轉(zhuǎn)缸順時針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手爪的周向定位 （7） 電磁鐵1通電，手爪伸

19、縮缸伸出，實(shí)現(xiàn)手爪的軸向定位 （8） 手爪抓取工件，工件與手爪夾緊到一定壓力，壓力繼電器通電使得電磁鐵1斷電，電磁鐵2通電手爪收縮，實(shí)現(xiàn)手爪的軸向定位。 （9） 電磁鐵4通電，手爪旋轉(zhuǎn)油缸逆時針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)手爪的周向定位。 (10) 電磁鐵6通電，小臂伸縮油缸回縮，實(shí)現(xiàn)小臂的軸向定位。 （11）電磁鐵9通電，伸縮臂回縮，實(shí)現(xiàn)伸縮臂軸線定位。 （12）電磁鐵11通電，大臂升降油缸下降，實(shí)現(xiàn)大臂軸向定位。 （13）電磁鐵13通電，大臂旋轉(zhuǎn)油缸逆時針旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)大臂周向定位。 在參考了眾多機(jī)械手手部的結(jié)構(gòu)后，結(jié)合自己的設(shè)計要求，現(xiàn)在設(shè)計出如上圖的液壓機(jī)械手及其驅(qū)動液壓原理裝置。下面介紹各個

20、液壓缸體的設(shè)計計算及其型號的選用，機(jī)械人手部結(jié)構(gòu)形式多樣，但總的設(shè)計都有如下幾點(diǎn)基本要求： （1）應(yīng)具有足夠的夾緊力和驅(qū)動力，手爪握力（夾緊力）大小要適宜，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)；力量過小則會產(chǎn)生松動、脫落。在確定握力時，除考慮抓取物體重量外，還應(yīng)考慮傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證夾持安全可靠； （2）手爪具有一定的開閉角度（手指從張開到閉合繞支點(diǎn)所轉(zhuǎn)過的角度）。 （3）要求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證自身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。 3.3本章小結(jié) 本章對機(jī)械手的基本參數(shù)進(jìn)行了確定，并且繪制出了總體外觀圖及液

21、壓原理圖，同時對液壓原理圖的工作原理進(jìn)行了電磁鐵的動作表繪制，對工作周期做了具體介紹。 第4章 各部分的具體計算 4.1 手部夾持器的計算 4.1.1手部夾持器設(shè)計要求 1.設(shè)計要求 夾持兩個棒料，每個不大于5kg 2. 各部分的長度 手腕： 300mm 手臂： 800mm 俯仰小臂： 200mm 大臂： 500mm 3. 手抓機(jī)構(gòu)分析 手部夾持器是工業(yè)機(jī)械手的關(guān)鍵部位之一，它的主要用途是夾持工件或工具按規(guī)定的動作程序來完成制定的工作，它的加緊和伸開都是自動完成的。 手部夾持器應(yīng)具有以下幾點(diǎn)： （a） 足夠的夾緊力 （b） 保證工件

22、在手指的準(zhǔn)確定位 ( c ) 能適應(yīng)工作環(huán)境所提出的要求 （d）保證在強(qiáng)度和剛度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊，重輕。抓起范圍：20毫米到50毫米的圓柱體工件其抓取原理圖如下： 圖4-1 手爪工作原理圖 1—鉸接點(diǎn) 2—手指 3—工件 4.1.2手部夾持器設(shè)計計算 進(jìn)分析可知，此手抓作單支點(diǎn)運(yùn)動，由此可知： （4-1） 力矩平衡： （4-2） N=100 (4-3) 夾緊力： （4-4） = = 150 P=2 =4N=600（N） =560(N) 為安全系數(shù)：1.1-1.2 取為=1.5 =1+a/g (抓取工件的最大加速

23、度為 a=g) 為方位系數(shù) =0.5 =56kg 設(shè)液壓缸直徑為D 、d為半徑。 （4-5） （4-6） 4.1.3端蓋螺釘校核 彈簧剛度：k=3.53 n/m ,行程 ：15mm 彈簧總長：30mm，活塞桿總長為 60mm 油的工作壓力： Q 預(yù)緊力： 總拉長：=111.4kgf (4-7) 相對剛度: =0.25, 總拉力需增加 30% 所以： （4-8） 4.2腕部回轉(zhuǎn)油缸計算 腕部是臂部和手部的連接部位，其作用實(shí)在臂部運(yùn)動的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改變手部或調(diào)整手部在空

24、間的方向，從而增加手部工作的靈活性，擴(kuò)大手部的工作范圍。 本設(shè)計將運(yùn)用回轉(zhuǎn)油缸來驅(qū)動，設(shè)計時我將考慮以下幾點(diǎn)： a、 結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕 b、 動作靈活平穩(wěn) c、 保證有足夠的剛度和強(qiáng)度 1.腕部回轉(zhuǎn)時所需的驅(qū)動力矩 如下圖所示： 圖4-2 腕部驅(qū)動力矩計算圖 除工件以外，將擺動體等效為一直徑 D=70mm， 長為 200mm的圓柱體。則重量 m=pv =pπD2L/4 （4-9） =6kg 取物重 10kg 平均直徑 D=50mm， 則由G=mg=pvg 所以：L=4m / pπD2= 653mm（4-10）

25、將手部等效為150mm，直徑為 60mm 的圓柱體，則 m=pv=3.3kg 2.克服啟動慣性所需力矩 （4-11） 其中： 所以： 3.克服由工件，擺動體重心偏移所需力矩 （4-12） 4.密封裝置處的摩擦力矩： （4-13） 腕部擺動時受力圖如下: 圖4-3 腕部擺動受力圖 其中 則 =14.5mm =6.2mm = 20.7mm=2.2 kgfm （4-14） 5.回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)油腔的背壓力反力矩： （4-15） 其中：取 =1MP b=

26、60mm R=35mm r= 20mm 則 ： =24.5=2.5kgfg 6.總驅(qū)動力矩： =0.36 +9.14 +2.2 +2.5 =14. 19kgf 則 所以： 所設(shè)計的相關(guān)尺寸滿足，強(qiáng)度要求合理。 7.缸蓋連接螺釘計算： QS = Q +QS` Q=P/Z=π（ R2– r2 ）p/3Z QS： 每個螺釘在危險截面上承受的拉力 Q ： 工作載荷 QS`： 預(yù)緊力 P ： 驅(qū)動力 P ： 工作油壓 Z : 螺釘數(shù)目 取6 則代入

27、已知數(shù)據(jù)知: Q=P/Z =π（ R2– r2 ）p/3Z = 1327 N QS` =1.3Q=1725N 所以： QS = Q +QS` =3025N 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： 所以： 查取機(jī)械工程手冊第5冊，取螺釘工程直徑為6mm 8.動片與輸出軸連接螺釘計算： 動片與輸出軸連接方式如下圖： 如圖4-4 動片與輸出軸連接圖 1—動片 2—輸出軸 3—定片 依動片所受力矩的平衡條件： （4-16） 式中： Q—每個螺釘?shù)念A(yù)緊力 P—油壓 B—

28、動片寬度 Z—螺釘數(shù)目 F—被連接件配合面處摩擦系數(shù)取0.15 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為：（4-17） 所以： 將以上數(shù)據(jù)代入公式得： Q=15225.4N 螺釘材料選用40Cr，查取相關(guān)資料， =400MPa 則： =7.1mm 查取《機(jī)械手冊》，取螺釘工程直徑為：8mm 4.3小臂結(jié)構(gòu)設(shè)計 1.伸縮缸的設(shè)計 做水平伸縮直線運(yùn)動的油缸的驅(qū)動力 式中： —摩擦阻力，手臂運(yùn)動，運(yùn)動表面間的摩擦力 —密封圈處的摩擦阻力 —油缸回油腔低壓油液所造成的阻力 —啟動或制動時所受的平均慣性力

29、 （a） 的計算 由于活塞桿與液壓缸的相對運(yùn)動，它們將產(chǎn)生一定的摩擦 如下圖： 如圖4-5 受力尺寸圖 得： Ra = （4-18） =u`Ra +u`Rb — 參與運(yùn)動的零件的總重量 L — 重心導(dǎo)向支撐前端距離 a — 支撐長度 u`— 當(dāng)量摩擦系數(shù) u` 為 （1.27~1.57）取1.4 由前面的計算可知，手爪夾緊油缸，腕部回轉(zhuǎn)油缸的總重量為： =( 3.3 + 6.0 ) = 93 N

30、 = 100N = +=193 N =u` L = 450 mm a = 60 mm 帶入數(shù)據(jù)知，所以： = 23.0 kgf （b） 的計算： 與所用的密封的形狀有關(guān)，選用“o”型密封圈密封 = + + + = 0.03P 式子中 P為驅(qū)動力 = npπd1 p為工作壓力 （kgf/ cm3）U=0.05 ~0.023 l—密封的等效的長度 1（cm）d伸縮管直徑 所以： = 50.24 kg 從而：=50.

31、24 + 0.03 = 50.27 kg （c）的計算: 背壓阻力較小，可以按下列公式計算 = 0.05 P (d)的計算： （4-19） 參與運(yùn)動的零部件 g 取 10 kg / N —由靜止加到常數(shù)的變化量取 0.05 m / s —運(yùn)動時間 （s）一般取 0.01~0.5 s 取 t=0.5 s 所以 ： = 0.20 kgf 從而： P = + + + = 78.4 kgf 2.液壓缸尺寸的確定： 液壓油缸內(nèi)徑的計算 當(dāng)油液進(jìn)入有桿腔時： 式子中：P ——驅(qū)動力

32、 P1——油缸的工作壓力 d ——活塞桿直徑 D——油缸內(nèi)徑 ——油缸機(jī)械效率 ，取 0.95 d 的確定 ： 由于該活塞桿與臂部相連，當(dāng)活塞桿移動到右端最大距離時，活塞桿端蓋處處于最大彎曲應(yīng)力，活塞桿必須滿足最大彎曲應(yīng)力作用，活塞桿彎曲應(yīng)力如下： 如圖4-6 活塞桿受力應(yīng)力圖 式子中：Max = Ma = GL = 1930.45 = 86.85 N 其中： Max—最大彎曲應(yīng)力 L—重心最大距離 G—臂部

33、重力 又因?yàn)椋? W = 式子中： W—抗彎截面系數(shù) d—橫截面直徑 由彎曲的強(qiáng)度條件： （4-20） 得： 查《機(jī)械設(shè)計手冊》P368 ，表 15-1得： 選取 材料 45# = 300 Pa 帶入數(shù)據(jù)知道： 16.6 mm 所以： = 24.4 mm 考慮到制造時的總體尺寸和多種用途，取內(nèi)徑為： D=70mm d = 40 mm 壁厚可以根據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》，表4-4，取=10mm 3. 端蓋螺釘?shù)膹?qiáng)度校核： 取螺釘為 M8， 每個螺釘所受

34、的力為 = 式子中： —工作載荷 —預(yù)緊力 =/Z =78.4/8.6=13.1 kgf =k = 1.613.1=21.0kgf ==34.1 kgf 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： =88.24 kgf/ —材料的屈服極限 n—安全系數(shù) 所以：即是取 M8 合格。 4.4俯仰缸設(shè)計 俯仰缸能使其手臂上仰下俯，使手臂的抓取范圍大大得到提高，設(shè)置一個俯仰缸，還可以使機(jī)械手得到重量上的平衡，使本機(jī)械手更加的穩(wěn)定。 1．本機(jī)械手臂上下活動的范圍為30度，以下為俯仰

35、缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 圖4-7 俯仰缸設(shè)計 1—底座 2—大臂 3—小臂 4—俯仰缸 活塞總長 活塞桿內(nèi)部工作的長度 手臂機(jī)構(gòu)受力圖如下： 如圖4-8 手部機(jī)構(gòu)受力圖 設(shè)：驅(qū)動力為P，則經(jīng)過計算： 32400 – 2.2124 – 9.2 80 – P 124 =0 P = 95.1kgf 所以：取油缸內(nèi)徑為32mm，活塞直徑為 20mm 缸臂為 7.5mm， 缸蓋四顆雙頭螺柱 M6 2.雙頭螺柱的校核： = 式子中： —工作載荷 ——預(yù)緊力

36、 =/ Z =61.8 kgf 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： =7.64 kgf / 所以： , 即是取 M8 合格。 —材料的屈服極限 n—安全系數(shù) 4.5大臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計 大臂是整個機(jī)械手的支撐部件，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的大范圍的回轉(zhuǎn)，設(shè)計時應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)： 1. 要有足夠的承載力 2. 要有足夠的剛度和強(qiáng)度 3. 要結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，盡量減少偏心力矩 大臂回轉(zhuǎn)示意圖如下： 如圖4-9 大臂回轉(zhuǎn)示意圖 大臂回轉(zhuǎn)時的力矩： M驅(qū)= M慣 + M封 +M回 1.密封裝置處的摩擦力矩：、 式中： 臂部擺動時

37、受力圖如下： 圖4-10 大臂擺動時受力圖 其中：?。剑?15mm b= 50mm =5mm R= 45mm r = 20 mm p 取10MPa 則： =2.0 kgfm =3.2 kgfm = 5.2 kgfm 2.求手臂重心到轉(zhuǎn)軸的距離： 手臂結(jié)構(gòu)受力圖如下： 圖4-11 手臂結(jié)構(gòu)受力圖 設(shè)重心于`o’處，則有： 手臂可以近似看成一根桿： L=800mm =1/12+43.4+43.4/10 =8.4kg 所以： 3.回轉(zhuǎn)油缸回轉(zhuǎn)油腔背壓力反力矩： 其中：=1

38、MPa b=80mm R=50mm r=20mm 則： =5.54 kgfm 4.回轉(zhuǎn)油缸的內(nèi)徑的計算 其中d=4mm 5.雙頭螺柱的校核 ： = 式子中：—工作載荷 — 預(yù)緊力 =/ Z = 91.5 kgf 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為 ： =10.53 kgf / 所以： , 即是取 M8 合格 4.6大臂升降結(jié)構(gòu)設(shè)計 大臂是整個機(jī)械手的支撐部件，能實(shí)現(xiàn)機(jī)械手大范圍的升降，設(shè)計時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1） 要有足夠的承載力 （2） 要有足夠的剛度和強(qiáng)度 （3） 要結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕 1.受力圖如下： 圖4-12 大臂受力圖

39、 G—升降油缸個部件的重力 f—摩擦力 —上升驅(qū)動力 = 5.3 kgf =2.56 kgf = 43.4 kgf G = 43.4 + 5.3 + 2.56 =51.26 kgf 根據(jù)力矩平衡方程： G + f = = 51.26 / (1-0.1) = 57.0 kgf k為安全系數(shù) k=1.5 = 57.01.5 = 85.4kgf 2.油缸的內(nèi)徑計算 ： 由式子： （4-21） = 61.8mm 所以取D為110mm ，d為60mm 3.螺釘?shù)男：耍? = 式子中： —工作載荷 —預(yù)緊

40、力 = / Z = 8.41 kgf 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： =1.108 kgf / 所以： , 即是取 M8 合格 —材料的屈服極限 n—安全系數(shù) 直到現(xiàn)在，本設(shè)計的機(jī)械手的機(jī)構(gòu)尺寸基本確定，其移動將根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求適當(dāng)調(diào)整。 4.7手部驅(qū)動油缸油孔尺寸計算 活塞運(yùn)動速度 v 取 0.05m/s ,油的流速為 3m/s 則油缸中每秒通過油量為 ： Q=VS =0.05 =13.2 則油孔中每秒通過的流量： 所以： 得 d =3.02mm 所以取油孔尺寸為 4mm 4.8腕部回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 油缸每秒進(jìn)入油量 ： （

41、為45度每秒） = 55.6 而油孔每秒流入的流量： 由 所以： =3.24mm 取油孔尺寸為 ：4mm 4.9大臂回轉(zhuǎn)油缸油孔尺寸確定 油缸每秒進(jìn)入的油量： （為15度每秒） （4-22） = 87.6 而油孔每秒流入的流量： 由 ： 所以： =5.8mm 取油孔尺寸為 ：6mm 4.10大臂升降油缸油孔尺寸確定 活塞運(yùn)動速度v取0.05m/s ,油的流速為 3m/s 則油缸中每秒通過油量： （4-23） = 141.3

42、7 而油孔中每秒通過的流量： =7.8mm 所以取油孔尺寸d為8mm 4.11伸縮臂油缸油孔尺寸確定 活塞運(yùn)動速度v取0.05m/s ,油的流速為 3m/s 則油缸中每秒通過油量： =62.5 而油孔中每秒通過的流量： 由 所以： =5.01mm 所以 ：取油孔尺寸d=6mm 4.12本章小結(jié) 本章對各個部分的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行了計算，包括手部夾持器、腕部回轉(zhuǎn)油缸，腕部伸縮油缸、小臂伸縮油缸、大臂回轉(zhuǎn)油缸、大臂升降油缸、伸縮臂油缸的型號選擇，及其各個油缸的活塞、活塞桿計算，各個油缸進(jìn)

43、出油口尺寸的確定。 第5章 各油缸活塞桿校核 5.1 手部驅(qū)動油缸活塞桿校核 1.壓強(qiáng)校核 ： （5-1） =63.7MPa 碳鋼 取 100 ~120 MPa 所以： 強(qiáng)度條件滿足。 2．穩(wěn)定性校核： 條件： （5-2） 其中——臨界力 ； 取 2~4 ； 取0.5 ，L取 40mm =d/

44、4 = 5mm 則： =4< =60 5.2 腕部回轉(zhuǎn)油缸活塞桿校核 在本設(shè)計中，手爪夾緊油缸腕部等效成一個圓柱體，由上面的論述可知，該圓柱體重量是33N。 所以： 腕部活塞桿受力圖如下： 圖5-1 腕部活塞桿受力圖 F=G=133N ,相應(yīng)產(chǎn)生的彎矩為 ： M=GL=15.6Nm 則應(yīng)力強(qiáng)度校核： 先求支反力 由 , 得 ： F=- 123 N 所以 ：

45、 =-116N 同理可求得： = 249 N =15.6Nm 所以按第三強(qiáng)度理論校核： = =0.159MPa 而 : ==294MPa >> 所以軸強(qiáng)度條件符合。 5.3 伸縮油缸活塞桿校核 1.按強(qiáng)度條件校核 ： =0.624MPa 查表15—1得到： 所以： 活塞桿強(qiáng)度條件滿足。 2. 穩(wěn)定性校核 ： 桿長l為300mm ，桿徑d為40mm 因?yàn)?00< 15 40 = 60

46、0 即 ：l< 15d 所以： 不必校核 ，穩(wěn)定性合格。 5.4 俯仰油缸活塞桿校核 1.活塞桿的校核 ： =0.28 MPa 查表15—1得到： 所以： 活塞桿強(qiáng)度條件滿足。 2.穩(wěn)定性校核 ： 桿長l為200mm ，桿徑d為30mm 因?yàn)? 200< 15 30 = 450 即 ： l< 15d 所以： 不必校核 ，穩(wěn)定性合格 。 5.5 本章小結(jié) 本章設(shè)計的主要內(nèi)容是對各個油缸的活塞桿進(jìn)行了強(qiáng)度校核。 第6章 總體三維圖 6.1 總體三維圖 經(jīng)過以上的結(jié)構(gòu)設(shè)計，總體外觀圖的規(guī)劃，

47、液壓系統(tǒng)的設(shè)計及其調(diào)試，現(xiàn)繪制出五自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手的總體外觀三維圖如下： 圖6-1 總體主視圖 圖6-2 一定角度總體視圖 圖6-3 手爪放大圖 6.2 本章小結(jié) 經(jīng)過以上幾章的方案確定、設(shè)計分析、校核計算，本章最終對總體效果圖進(jìn)行了三維圖的繪制，其效果如上。 結(jié)論 在社會的發(fā)展中，人類追求效率的提高，離不開機(jī)器人的幫助，機(jī)械手作為機(jī)器人重要的一部分，關(guān)系著機(jī)器人發(fā)展的步伐快慢。本文以搬運(yùn)機(jī)械手為例論述了有關(guān)機(jī)械手設(shè)計方面的一些問題，得出以下結(jié)論： 首先，理論分析方面，注重理論與實(shí)際相結(jié)合，考慮到各種驅(qū)動的優(yōu)缺點(diǎn)，最后選擇了液壓系統(tǒng)驅(qū)動，因?yàn)橐簤合到y(tǒng)驅(qū)動具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：

48、 （1） 能方便的進(jìn)行無級調(diào)速，調(diào)速范圍大。 （2） 體積小、重量輕、功率大。 （3） 控制和調(diào)節(jié)簡單、方便、省力；容易實(shí)現(xiàn)自動化控制和過載保護(hù)。 （4） 可以實(shí)現(xiàn)無間隙運(yùn)動，運(yùn)動平穩(wěn)。 （5） 因?yàn)閭鲃咏橘|(zhì)為油液，故液壓元件有自我潤滑的作用，使用壽命長。 （6） 液壓元件實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，便于設(shè)計、制造和推廣使用。 （7）可以采用大推力的液壓缸和大扭矩的液壓馬達(dá)直接帶動負(fù)載，從而省去了中間的減速裝置，使得傳動簡單化。 其次，結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，綜合考慮外形美觀、結(jié)構(gòu)小巧、實(shí)用性、剛度、強(qiáng)度等諸多因素。設(shè)計為5自由度的機(jī)械手，分別為：手腕的轉(zhuǎn)動、小臂的伸縮、小臂的俯仰、大臂的擺動和

49、大臂的升降，使其活動范圍大，工作面更廣。 最后，通過個方面的校核，該機(jī)械手最大的抓取重量為10千克棒料，壽命長、效率高且抓取動作準(zhǔn)確，是很實(shí)用的搬運(yùn)機(jī)械手。 致謝 通過這一階段的努力，我的畢業(yè)論文《五自由度液壓搬運(yùn)機(jī)械手》終于完成了，這意味著大學(xué)生活即將結(jié)束。在大學(xué)階段，我在學(xué)習(xí)上和思想上受益非淺，這除了自身的努力外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵是分不開的。 在本論文的寫作過程中，我的導(dǎo)師唐德棟老師傾注了大量的心血，從選題到開題報告，從總體結(jié)構(gòu)設(shè)計到關(guān)鍵部件的選擇，再到一遍又一遍地指出每此設(shè)計圖中的具體問題，嚴(yán)格把關(guān)，循循善誘，相信老師的這些極具價值的指導(dǎo)思想會一直有益于我

50、以后的生活和學(xué)習(xí)，在此我表示衷心感謝。同時我還要感謝在我學(xué)習(xí)期間給我極大關(guān)心和支持的各位老師以及關(guān)心我的同學(xué)和朋友。 寫作畢業(yè)論文是一次再系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程，畢業(yè)論文的完成，同樣也意味著新的學(xué)習(xí)生活的開始。我將銘記我曾是一名哈爾濱理工大學(xué)的學(xué)子，在今后的工作中把薄厚悠遠(yuǎn)的優(yōu)良傳統(tǒng)發(fā)揚(yáng)光大。 感謝各位導(dǎo)師的批評指導(dǎo)。 參考文獻(xiàn) 1 蔡鶴皋．機(jī)器人將是21世紀(jì)技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)[J]．中國機(jī)械工程，2000，11(1):58． 2 安永植，姜國超.工業(yè)機(jī)器 構(gòu)的研究[J].機(jī)器人，1994:1-24. 3 Trovato S，章成光．CECIL通過蒸汽發(fā)生器管間進(jìn)行檢查和沖洗[J]．國

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55、ine, micro-electronics and computer, automation control and drive, sensor and message dispose and artificial intelligence and so on. With the development of economic and the demand for automation control, robot technology is developed quickly and all types of the robots products are come into being.

56、 The practicality use of robot products not only solves the problems which are difficult to operate for human being, but also advances the industrial automation program. At present, the research and development of robot involves several kinds of technology and the robot system configuration is so co

57、mplex that the cost at large is high which to a certain extent limit the robot abroad use. To development economic practicality and high reliability robot system will be value to robot social application and economy development. With the rapid progress with the control economy and expanding of the

58、modern cities, the let of sewage is increasing quickly: With the development of modern technology and the enhancement of consciousness about environment reserve, more and more people realized the importance and urgent of sewage disposal. Active bacteria method is an effective technique for sewage di

59、sposal，The lacunaris plastic is an effective basement for active bacteria adhesion for sewage disposal. The abundance requirement for lacunaris plastic makes it is a consequent for the plastic producing with automation and high productivity. Therefore, it is very necessary to design a manipulator th

60、at can automatically fulfill the plastic holding. With the analysis of the problems in the design of the plastic holding manipulator and synthesizing the robot research and development condition in recent years, a economic scheme is concluded on the basis of the analysis of mechanical configuration

61、, transform system, drive device and control system and guided by the idea of the characteristic and complex of mechanical configuration, electronic, software and hardware. In this article, the mechanical configuration combines the character of direction coordinate and the arthrosis coordinate which

62、 can improve the stability and operation flexibility of the system. The main function of the transmission mechanism is to transmit power to implement department and complete the necessary movement. In this transmission structure, the screw transmission mechanism transmits the rotary motion into line

63、ar motion. Worm gear can give vary transmission ratio. Both of the transmission mechanisms have a characteristic of compact structure. The design of drive system often is limited by the environment condition and the factor of cost and technical lever. The step motor can receive digital signal dire

64、ctly and has the ability to response outer environment immediately and has no accumulation error, which often is used in driving system. In this driving system, open-loop control system is composed of stepping motor, which can satisfy the demand not only for control precision but also for the target

65、 of economic and practicality. On this basis，the analysis of stepping motor in power calculating and style selecting is also given. The analysis of kinematics and dynamics for object holding manipulator is given in completing the design of mechanical structure and drive system. Kinematics analysis

66、is the basis of path programming and track control. The positive and reverse analysis of manipulator gives the relationship between manipulator space and drive space in position and speed. The relationship between manipulator’s tip position and arthrosis angles is concluded by coordinate transform method. The geometry method is used in solving inverse kinematics problem and the result will provide theory evidence for control system. The f0unction of dynamics is to get the relationship between th