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曲軸搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第1章 緒論
1.1 工業(yè)機(jī)器人（機(jī)械手）的概述
1.1.1 工業(yè)機(jī)器手的發(fā)展
現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于20世紀(jì)50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類變更，具有多自由度動作功能的柔性自動化。
機(jī)械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯(lián)合控制公司研制出第一臺機(jī)械手。他的結(jié)構(gòu)是：機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長臂，端部安裝有電磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。
1962年，美國機(jī)械鑄造公司在上述方案的基礎(chǔ)之上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運(yùn)動系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂回轉(zhuǎn)、俯仰，用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓最存儲裝置。不少球坐標(biāo)式通用機(jī)械手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司（Unimaton）,專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。
1962年美國機(jī)械鑄造公司也試驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)。該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)，臂可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮、采用液壓驅(qū)動，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制一種Unimate-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)，定位誤差可小于±1毫米。
美國還十分注意提高機(jī)械手的可靠性，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，降低成本。如Unimate公司建立了8年機(jī)械手試驗(yàn)臺，進(jìn)行各種性能的試驗(yàn)。準(zhǔn)備把故障前平均時間（注：故障前平均時間是指一臺設(shè)備可靠性的一種量度。它給出在第一次故障前的平均運(yùn)行時間），由400小時提高到1500小時，精度可提高到±0.1毫米。
德國機(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)。德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
瑞士RETAB公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。
日本是工業(yè)機(jī)械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進(jìn)二種典型機(jī)械手后，大力研究機(jī)械手的研究。據(jù)報道，1979年從事機(jī)械手的研究工作的大專院校、研究單位多達(dá)50多個。1976年個大學(xué)和國家研究部門用在機(jī)械手的研究費(fèi)用42%。1979年日本機(jī)械手的產(chǎn)值達(dá)443億日元，產(chǎn)量為14535臺。其中固定程序和可變程序約占一半，達(dá)222億日元，是1978年的二倍。具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為67億日元，比1978年增長50%。智能機(jī)械手約為17億日元，為1978年的6倍。截止1979年，機(jī)械手累計(jì)產(chǎn)量達(dá)56900臺。在數(shù)量上已占世界首位，約占70%，并以每年50%～60%的速度增長。使用機(jī)械手最多的是汽車工業(yè)，其次是電機(jī)、電器。預(yù)計(jì)到1990年將有55萬機(jī)器人在工作。
第二代機(jī)械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺機(jī)能。目前國外已經(jīng)出現(xiàn)了觸覺和視覺機(jī)械手。
第三代機(jī)械手（機(jī)械人）則能獨(dú)立地完成工作過程中的任務(wù)。它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系。并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing system)和柔性制造單元(Flexible Manufacturing Cell)中重要一環(huán)。
隨著工業(yè)機(jī)器人向更深更廣方向的發(fā)展以及機(jī)器人智能化水平的提高，機(jī)器人的應(yīng)用范圍還在不斷地?cái)U(kuò)大，已從汽車制造業(yè)推廣到其他制造業(yè)，進(jìn)而推廣到機(jī)械加工行業(yè)、電子電氣行業(yè)、橡膠及塑料工業(yè)、食品工業(yè)、木材與家具制造等領(lǐng)域中。
1.1.2 工業(yè)機(jī)器人的分類
表1.1 機(jī)器人分類
分類名稱
簡要解釋
操作型機(jī)器人
能自動控制，可重復(fù)編程，多功能，有幾個自由度，可固定或運(yùn)動，用于相關(guān)自動化系統(tǒng)
程控型機(jī)器人
按預(yù)先要求的順序及條件，依次控制機(jī)器人的機(jī)械動作
示教再現(xiàn)型機(jī)器人
通過引導(dǎo)或其他方式，先教會機(jī)器人動作，輸入工作程序，機(jī)器人則自動重復(fù)進(jìn)行工作
數(shù)控型機(jī)器人
不必使機(jī)器人動作，通過數(shù)值、語言等對機(jī)器人進(jìn)行示教，機(jī)器人根據(jù)示教后的信息進(jìn)行作業(yè)
感覺控制型機(jī)器人
利用傳感器獲取的信息控制機(jī)器人的動作
適應(yīng)控制型機(jī)器人
機(jī)器人能適應(yīng)環(huán)境變化，控制自身的行為
學(xué)習(xí)控制型機(jī)器人
機(jī)器人能“體會”工作經(jīng)驗(yàn)，具有一定的學(xué)習(xí)能力，并能將所“學(xué)”的經(jīng)濟(jì)用于工作中
智能機(jī)器人
以人工智能決定其行為的機(jī)器人
關(guān)于機(jī)器人如何分類，國際上沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有的按負(fù)載重量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按結(jié)構(gòu)分，有的按應(yīng)用領(lǐng)域分。一般的分類方式如上表1.1所示：
1.1.3 工業(yè)機(jī)械手的應(yīng)用
工業(yè)機(jī)械手是伴隨工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用而迅速發(fā)展起來的一門新興技術(shù)裝備。它綜合應(yīng)用了機(jī)械，電子，自動控制等先進(jìn)技術(shù)以及物理，生物等學(xué)科的基礎(chǔ)知識，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械化與自動化的有機(jī)結(jié)合而廣泛應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)的各個部門。
工業(yè)機(jī)械手是工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展中的必然產(chǎn)物。它是一種模仿人體上肢的部分功能，按照預(yù)定要求輸送工件和握持工具進(jìn)行操作的自動化技術(shù)裝備。這種新穎技術(shù)裝備的出現(xiàn)和應(yīng)用，對實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化，推動工業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展起著重要作用，因而具有強(qiáng)大的生命力，受到人們的廣泛重視和歡迎。
工業(yè)上應(yīng)用的機(jī)械手，由于使用場合和工作要求的不同，其結(jié)構(gòu)形式亦各有不同，技術(shù)復(fù)雜程度也有很大差別。但它們都有類似人的手臂，手腕和手的部分動作及功能；一般都能按預(yù)定程序，自動地，重復(fù)循環(huán)地進(jìn)行工作。此外，還有些非自動化的裝備，具有與人體上肢類似的部分動作，結(jié)構(gòu)上與工業(yè)機(jī)械手是一致的，亦可歸屬于工業(yè)機(jī)械手的范疇。例如，早期就有一種由人直接用繩索牽引進(jìn)行操作的隨動機(jī)械手和近期發(fā)展起來的由人工進(jìn)行操作的機(jī)械手（如平衡吊），以及一些就近按扭控制和遙控的非自動的單循環(huán)的機(jī)械手等。
實(shí)踐證明，工業(yè)機(jī)械手可以代替人的繁重勞動，顯著減輕工人的勞動強(qiáng)度，改善勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)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，采用機(jī)械手是有效的；此外，它還能在高溫，低溫，深水，宇宙，放射性和其他有毒，污染環(huán)境條件下進(jìn)行操作，更顯示其優(yōu)越性，有著廣闊的發(fā)展前途。
1.2 國內(nèi)外發(fā)展的狀況
國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人市場具有如下特征：（1）國內(nèi)汽車業(yè)。汽車制造業(yè)屬于技術(shù)、資金密集型產(chǎn)業(yè)，也是自動化程度要求高、競爭相當(dāng)激烈的行業(yè)?？梢哉f，汽車工業(yè)的發(fā)展史近幾年我國工業(yè)機(jī)器人增長的主要原動力之一。（2）沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。國內(nèi)相當(dāng)數(shù)量的企業(yè)技術(shù)實(shí)力得到很大提高，生產(chǎn)設(shè)備更新?lián)Q代，為了更好地適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，提高生產(chǎn)率，提高產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)競爭力，改善工人勞動條件，企業(yè)對工業(yè)機(jī)器人的需求不斷增加。（3）外商獨(dú)資企業(yè)、中外合資企業(yè)。外商獨(dú)資或中外合資企業(yè)自動化程度一般比較高，導(dǎo)致工業(yè)機(jī)器人的需求量較大。（4）國內(nèi)一些現(xiàn)代化水平比較高的企業(yè)。國內(nèi)一些汽車廠、軍工企業(yè)、船舶行業(yè)等。
1.3 本課題的預(yù)期結(jié)果
在生產(chǎn)實(shí)踐中，常常需要將上料、加工、卸料等工序進(jìn)行合理的安排，組成一條自動流水加工線。但在流水線上加工時，需要許多工人搬運(yùn)工件，有時勞動強(qiáng)度較大。當(dāng)生產(chǎn)效率很高時，為了減少工人數(shù)量，改善工人的勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率這就需要使自動線上工件搬運(yùn)自動化。于是針對這一問題就提出了要研制一種通過電氣控制的搬運(yùn)機(jī)械手來代替工人實(shí)現(xiàn)工件的搬運(yùn)上線，并且能滿足定位和重復(fù)定位精度。用搬運(yùn)機(jī)械手來代替工人搬運(yùn)工件可以減輕工人的勞動強(qiáng)度，減少自動線上的工人數(shù)目，減輕工作量，同時也提高了生產(chǎn)效率并且精度也得到了保障。而事實(shí)上，在生產(chǎn)領(lǐng)域真正用來加工的時間一般不大于整個生產(chǎn)時間的10％，大部分時間是用在了工件的搬運(yùn)、裝夾等輔助工序上。從這個方面可以看出研制一種自動化搬運(yùn)機(jī)械手的迫切性和重要性，它能大大提高生產(chǎn)的效率。
第2章 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)要求
某生產(chǎn)線上搬運(yùn)工件原由人工完成, 勞動強(qiáng)度大、生產(chǎn)效率低。為了提高生產(chǎn)線的工作效率, 降低成本, 使生產(chǎn)線發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng), 適應(yīng)現(xiàn)代自動化大生產(chǎn), 針對具體生產(chǎn)工藝, 利用機(jī)器人技術(shù), 設(shè)計(jì)用一臺搬運(yùn)機(jī)械手代替人工工作。
該機(jī)械手能完成如下的動作循環(huán)：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)→手腕回轉(zhuǎn)→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。
工作對象為50~100mm，重量為40~60kg的曲軸，定位精度為±1。
2.2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案
2.2.1 機(jī)械手的組成及各部分關(guān)系
機(jī)械手由三大部分（機(jī)械部分、液壓部分、控制部分）六個子系統(tǒng)（驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、液壓系統(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)）組成。
機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機(jī)身（立柱）、機(jī)座。
驅(qū)動系統(tǒng)：驅(qū)動器是把從動力源獲得的能量變換成機(jī)械能，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的驅(qū)動形式有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動、交流電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動（例如超聲波驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、靜電驅(qū)動等）。
控制系統(tǒng)：機(jī)器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同，主要可分為點(diǎn)位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。
2.2.2總體設(shè)計(jì)任務(wù)
(1) 結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì): 機(jī)械手常見的運(yùn)動形式有1）直角坐標(biāo)型2）圓柱坐標(biāo)型3）球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型4）關(guān)節(jié)型（回轉(zhuǎn)坐標(biāo)）型5）平面關(guān)節(jié)型五種。
圓柱坐標(biāo)型是由三個自由度組成的運(yùn)動系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動范圍大。
直角坐標(biāo)型，其運(yùn)動部分的三個相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個軸向的移動距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間大，靈活性較差。
球坐標(biāo)型，它由兩個轉(zhuǎn)動和一個直線組成，即一個回轉(zhuǎn)，一個俯仰和一個伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動作并能夠抓取地面上的東西或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
關(guān)節(jié)型，這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由和大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動和使大臂作俯仰運(yùn)動，小臂作俯仰擺動，其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的工件。
平面關(guān)節(jié)型，采用兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動，而移動關(guān)節(jié)控制上下運(yùn)動。這種機(jī)器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡單，動作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。
綜上，本次設(shè)計(jì)中采用圓柱回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。
(2) 自由度的確定：自由度(Degrees of Freedom),指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動的數(shù)目，不包括末端操作器的開合度。在運(yùn)動形式上分為為直線運(yùn)動P，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動R。自由度數(shù)的多少反映了這種機(jī)械手能完成動作的復(fù)雜程度，根據(jù)對機(jī)械手必須完成的動作的研究，設(shè)計(jì)四個自由度的機(jī)械手即可完成所規(guī)定的工作任務(wù)。從機(jī)座到手腕，關(guān)節(jié)的運(yùn)動方式為旋轉(zhuǎn)-直線-直線-旋轉(zhuǎn)，即RPPR型。
(3) 驅(qū)動方式的選擇:1）驅(qū)動系統(tǒng)有液壓驅(qū)動2）氣壓驅(qū)動3）電機(jī)驅(qū)動4）機(jī)械聯(lián)動四種，其中液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動較為通用。
液壓驅(qū)動：結(jié)構(gòu)緊湊、動作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動、防爆性好。而且液壓技術(shù)比較成熟，具有動力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動等特點(diǎn)。
氣壓驅(qū)動：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價較低、維修方便、清潔等特點(diǎn)，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中，但對速度很難進(jìn)行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實(shí)現(xiàn)伺服控制。
電機(jī)驅(qū)動：步進(jìn)或伺服電機(jī)可用于程序復(fù)雜、運(yùn)動軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手； 異步電機(jī)、直流電機(jī)適用于抓重大、速度低的專用機(jī)械手；電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動力較大，信號檢測、傳遞、處理方便，控制方式靈活，安裝維修方便。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。
機(jī)械聯(lián)動：動作可靠，動作范圍小，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適用于自由度少、速度快的專用機(jī)械手。
并且，同其他轉(zhuǎn)動方式相比較，傳動功率相同時，液壓傳動裝置的重量輕，體積緊湊，可實(shí)現(xiàn)無級變速，調(diào)速范圍大。運(yùn)動件的慣性小，能夠頻繁順序換向，傳動工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸著震，并能自動防止過載。與電氣配合，容易實(shí)現(xiàn)動作和操作自動化，與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種自動控制工作。液壓元件基本已經(jīng)上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，利于CAD技術(shù)的應(yīng)用、提高工效，降低成本。容易達(dá)到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉(zhuǎn)距）。液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作較平穩(wěn)，可靠，并可實(shí)現(xiàn)較高的位置精度。液壓傳動中，力，速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動控制。液壓裝置采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑效能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。
綜上，本次設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動。
(4) 控制方式的選擇:1）點(diǎn)位控制方式（PTP）2）連續(xù)軌跡控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。
點(diǎn)位控制的特點(diǎn)是只控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿?？刂茣r只要求工業(yè)機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動，而對達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡不做任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動所需時間。由于其控制方式易于實(shí)現(xiàn)，常應(yīng)用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊等工業(yè)機(jī)器人。
連續(xù)軌跡控制的特點(diǎn)是連續(xù)的控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動，而且速度可控，軌跡光滑且運(yùn)動平穩(wěn)。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是工業(yè)機(jī)器人末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機(jī)器人。
力（力矩）控制方式常用于準(zhǔn)確定位并要求使用適度的力或力矩來完成裝配、抓放物體等工作。
智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識庫相應(yīng)做出決策。采用智能控制技術(shù)的機(jī)器人具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)能力，技術(shù)難度及成本要求都比較高。
綜上，本次設(shè)計(jì)采用點(diǎn)位控制。
另外該機(jī)械手的動作是有順序要求的，控制系統(tǒng)采用電氣控制機(jī)械手實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的工序動作，可以簡化控制線路，節(jié)省成本，提高勞動生產(chǎn)率。
綜合上述，此次采用電-液伺服點(diǎn)位控制，可以很好的完成自動線工作。
2.3 總體設(shè)計(jì)方案擬定
因?yàn)楸緳C(jī)械手工作范圍大，位置精度要求高?？紤]本機(jī)械手工作要求的特殊情況，本設(shè)計(jì)采用懸臂式四自由度的機(jī)械手，如下圖2.1所示：
1-機(jī)座 2-機(jī)身 3-俯仰手臂 4-手臂 5-手腕 6-手指
圖2.1 機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)簡圖
機(jī)座：起支撐機(jī)身的作用，同時與地面通過地腳螺栓固定承受著機(jī)械手整體的比較大的壓力。由于體積大，所以用鑄造，鑄造材料為鑄鐵。
機(jī)身：保證了整個機(jī)械手能夠連接在一起從而保證機(jī)械手能夠順利的完成各項(xiàng)運(yùn)動，由于體積大，所以用鑄造，機(jī)身的材料為鑄鐵。機(jī)身分為上、下機(jī)身體，上、下機(jī)身通過螺栓連接在一起，擺動液壓缸放在下機(jī)身里。用一根軸立柱通過鍵將擺動液壓系統(tǒng)與機(jī)身連接在一起，通過液壓缸擺動帶動機(jī)身的擺動。
俯仰手臂：與下機(jī)身通過銷與相連，與手臂也通過銷相連。起連接作用，同時，俯仰手臂的伸縮會控制手臂的上下擺動。
手臂：通過銷與上機(jī)身相連，液壓系統(tǒng)控制了它的伸縮功能，與手腕通過法蘭連接在一起。
手腕：具有擺動功能，與手臂和手指相連。內(nèi)置擺動液壓缸。
手指：具有夾緊工件的作用。
自由度具體分配如下：
1）手臂回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動油缸來實(shí)現(xiàn)，擺動缸的動片與缸體相連接，通過油液帶動葉片轉(zhuǎn)動，與之相連的缸體也發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
2）手臂俯仰自由度。機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動，一般采用活塞油（氣）與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，缸體采用尾部耳環(huán)與機(jī)身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
4）手腕回轉(zhuǎn)自由度。擬采用擺動液壓缸來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)注入壓力油時，油壓推動動片連同轉(zhuǎn)軸一起回轉(zhuǎn)。因?yàn)閯悠枪潭ㄔ谵D(zhuǎn)軸上的，故動片轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)軸也隨著其一起轉(zhuǎn)。而末端操作器與轉(zhuǎn)軸是固定在一起的，故轉(zhuǎn)軸一轉(zhuǎn)手部便一起轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。
2.4 本章小結(jié)
本章主要介紹機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、驅(qū)動方案、控制方案以及選擇各個方案對機(jī)械手工作的影響，畫出機(jī)械手結(jié)構(gòu)的大體簡圖和重要的幾個結(jié)構(gòu)部分。根據(jù)工作時空間自由度的選擇，大體結(jié)構(gòu)，控制方式的選擇，完成各個部分的工作性能。描繪機(jī)械手大體結(jié)構(gòu)圖為以下計(jì)算設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
第3章 機(jī)械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)
機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括末端操作器、手腕、手臂、機(jī)身（立柱）、機(jī)座。
這些結(jié)構(gòu)通過驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)機(jī)與電的結(jié)合。驅(qū)動器是把從動力源獲得的能量變換成機(jī)械能，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)工作的裝置，常見的驅(qū)動形式有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)驅(qū)動、交流電機(jī)驅(qū)動、液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動（例如超聲波驅(qū)動、磁致伸縮驅(qū)動、靜電驅(qū)動等）控制系統(tǒng)：機(jī)器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同，主要可分為點(diǎn)位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。
3.2末端操作器的設(shè)計(jì)
3.2.1 末端操作器的概述
工業(yè)機(jī)器人的末端操作器是機(jī)器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具等進(jìn)行操作的部件，根據(jù)被操作工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面形態(tài)各有不同，其形式也多種多樣，大部分末端操作器的結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件專門加工的，常用的有四類：1）夾鉗式取料手2）吸附式取料手3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器4）仿生多指靈巧手。
夾鉗式取料手是工業(yè)機(jī)器人最常用的一種末端操作器形式，在流水線上應(yīng)用廣泛。它一般由手指、驅(qū)動機(jī)構(gòu)、傳動機(jī)構(gòu)、連接與支承元件組成，工作機(jī)理類似于常用的手鉗。
吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手應(yīng)用于大平面（單面接觸無法抓?。⒁姿椋úＡ?、磁盤）、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w。
因?yàn)閷Ｓ貌僮髌骷稗D(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手的技術(shù)難度及成本要求都比較高，故在此不多做介紹。
3.2.2 末端操作器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
根據(jù)發(fā)動機(jī)曲軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的末端操作器宜采用夾鉗式取料手。
夾鉗式取料手的手指的結(jié)構(gòu)形式通常取決于被夾持工件的形狀和特性。本設(shè)計(jì)是曲軸搬運(yùn)機(jī)械手，搬運(yùn)的對象是曲軸，所以要求使用V形手指，其中V形指一般用于夾持圓柱形工件，具有夾持平穩(wěn)可靠，夾持誤差小等特點(diǎn)。它通過單向液壓缸進(jìn)行加緊工作，主要是通過液壓缸的4活塞桿推底端使手指夾緊，然后通過2彈簧進(jìn)行復(fù)位。圓柱銷3起到連接的作用，連接手指與手腕。手指上的凹凸部分起到增大摩擦的作用，使夾緊平穩(wěn)。結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：
1-手指 2-彈簧 3-圓柱銷 4-活塞桿
圖3.1 V型手指結(jié)構(gòu)圖
3.3 手腕的設(shè)計(jì)
機(jī)器人手腕（如圖3.2）是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調(diào)節(jié)或改變工件方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)器人末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。此處手腕需實(shí)現(xiàn)手部的翻轉(zhuǎn)（Roll）動作,腕部結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在手部相對于臂部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動上。主要原理是手腕是由擺動液壓缸控制，這樣可以實(shí)現(xiàn)手腕的旋轉(zhuǎn)，帶動V形末端操作器。手腕通過法蘭連接在手臂上，手腕由擺動液壓缸控制進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，通過進(jìn)油帶動液壓缸，液壓缸通過鍵連接帶動手腕軸使手腕轉(zhuǎn)動，擺動液壓缸由電磁閥控制。電磁閥由電器控制回路控制。這樣就將機(jī)械和電器結(jié)合到了一起。通過電控制機(jī)械，通過電控制機(jī)械手的手腕的旋轉(zhuǎn)。
機(jī)械手腕的轉(zhuǎn)動時通過（如圖3.2）2擺動液壓缸帶動，手指的夾緊運(yùn)動通過4單向活塞桿向右推動手指部分的V型槽。然后由復(fù)位彈簧進(jìn)行復(fù)位設(shè)置。手腕與手臂的連接由1法蘭盤連接在一起。為了確保手腕與手臂在工作過程中具有穩(wěn)定的自由度，手臂的結(jié)構(gòu)為四導(dǎo)桿輔助液壓缸運(yùn)動。
四導(dǎo)桿能保證機(jī)械手在伸縮的過程中保持穩(wěn)定的同軸度，不至于使手臂收縮的過程中由于重力的作用而彎曲變形。每一個導(dǎo)桿平均分得一部分力，這樣可以減輕一個桿工作時的壓力。
1-法蘭盤 2-擺動液壓缸 3-彈簧 4-單向液壓缸
5-手腕 6-連接螺栓孔
圖3.2 手腕結(jié)構(gòu)簡圖
3.4 手臂的設(shè)計(jì)
手臂是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運(yùn)動到給定的位置上。手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動輕快、靈活。
手臂一般有伸縮運(yùn)動、左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動、升降（或俯仰）運(yùn)動三個自由度。在一般情況，手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動，但在手臂的起動和終止瞬間，運(yùn)動是變化的，為了減少沖擊，要求起動時間的加速度和終止前速度不能太大，否則引起沖擊和振動。這樣是為了減小慣性，使運(yùn)動精度高些。伸縮運(yùn)動一般采用直線液壓缸驅(qū)動，俯仰運(yùn)動大多采用伸縮單作用（單活塞桿）驅(qū)動，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動則大多用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實(shí)現(xiàn)。
本設(shè)計(jì)采用單作用（單活塞桿）缸來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。為了增加手臂的剛性，防止手臂在伸縮運(yùn)動時繞軸線轉(zhuǎn)動或產(chǎn)生變形，手臂的伸縮機(jī)構(gòu)需設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素，為了使抓取時不產(chǎn)生偏重力矩使抓取可靠，本設(shè)計(jì)中采用四根導(dǎo)向柱的臂伸縮結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是行程長，抓重大，而工件不規(guī)則時還可以防止產(chǎn)生過大的偏重力矩。
機(jī)械手手臂伸縮由手臂里的液壓缸來實(shí)現(xiàn)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動時靠機(jī)身的回轉(zhuǎn)，通過圓柱銷的連接帶動手臂的回轉(zhuǎn)，俯仰運(yùn)動時通過俯仰缸的伸縮來實(shí)現(xiàn)，手臂是機(jī)械手運(yùn)動環(huán)節(jié)的重要部分，它是現(xiàn)實(shí)手指與機(jī)身連接的唯一樞紐。大部分要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動都是通過手臂的傳遞完成的。本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)嵌式液壓缸，液壓缸的尺寸決定了手臂的大體尺寸。液壓缸的設(shè)計(jì)是通過工件運(yùn)動時受到的力決定的，本次設(shè)計(jì)的手臂的內(nèi)嵌式液壓缸如圖3.3所示：
1-出油孔 2-開口銷孔 3-缸壁 4-圓柱銷孔5-導(dǎo)向桿
6-油塞 7-法蘭 8-活塞桿 9-進(jìn)油孔
圖3.3 四導(dǎo)向桿式手臂機(jī)構(gòu)
從圖中可以比較清楚地看到手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向桿的安放方式以及手臂與其他部件的連接點(diǎn)。
液壓油通過進(jìn)油孔進(jìn)入，在液體壓力的作用下活塞桿8向右運(yùn)動，使手臂伸縮，導(dǎo)向桿5起到保證同軸度的作用，密封圈6起到保持缸內(nèi)壓力的作用，保證了液壓缸的工作效率。
手腕和手臂通過法蘭連接在一起，法蘭能保持他們的同軸運(yùn)動，確保運(yùn)動的精確性。法蘭的結(jié)構(gòu)簡圖如下3.4所示：
1-螺栓孔 2-螺釘
圖3.4 法蘭盤的結(jié)構(gòu)
法蘭盤與手腕通過螺栓連接，保證手臂、手腕同步運(yùn)動。
手臂俯仰運(yùn)動采用單作用（單活塞桿）缸來驅(qū)動。直線油缸的缸底與機(jī)身通過鉸鏈相連，而油缸活塞桿的伸出端則與臂部鉸接，這樣當(dāng)壓力油進(jìn)個油缸時就驅(qū)動活塞桿往復(fù)運(yùn)動，通過活塞桿的運(yùn)動就使與其相連的手臂形成了俯仰的運(yùn)動。當(dāng)油從進(jìn)油口進(jìn)入時，右面的壓力比左面的大，這時活塞桿向右運(yùn)動，轉(zhuǎn)化為手臂實(shí)現(xiàn)向下運(yùn)動。由于俯仰油缸是采用底部耳環(huán)擺動式直線缸，所以在活塞桿往復(fù)運(yùn)動的同時，缸體可在平面內(nèi)擺動。手臂通過帶孔銷連接在機(jī)身上，以帶孔銷為支點(diǎn)，俯仰機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動就變成了手臂的上下運(yùn)動，俯仰液壓缸向上伸出時，手臂向下擺動，俯仰液壓缸向下伸出時，手臂向上擺動，這樣就實(shí)現(xiàn)了手臂的上下擺動。手臂俯仰機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如3.5所示：
1-進(jìn)、出油孔 2-活塞 3-活塞桿 4-進(jìn)、出油孔
5-密封塞 6-缸蓋 7-缸壁 8-排氣孔
圖3.5 俯仰機(jī)構(gòu)簡圖
采用擺動馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)機(jī)身手臂的回轉(zhuǎn)。擺動馬達(dá)布置在機(jī)身下部，手臂部件用銷軸與回轉(zhuǎn)缸體上的耳叉連接，作為手臂俯仰運(yùn)動的支點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸和機(jī)身固定連接，擺動缸的動片與缸體相連，當(dāng)擺動缸進(jìn)壓力油時，通過葉片的帶動，缸體隨之轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。這時就需要回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸能承受比較大的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)軸材料為Q235。
對于懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計(jì)算手臂移動零件時的重量對回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對手臂運(yùn)動很不利。偏重力矩過大，會引起手臂的振動，在升降時還會發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會影響運(yùn)動的靈活性，嚴(yán)重時手臂與立柱會卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量地近，以減少偏重力矩。為減少轉(zhuǎn)動慣量：1）可減少手臂運(yùn)動件的輪廓尺寸2）減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），盡可能在較小的前伸位置進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作3）在驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。4）選擇液壓驅(qū)動時選擇能調(diào)速度的換向閥。5）對于手臂或是回轉(zhuǎn)的部分有些結(jié)構(gòu)做成空心，減少回轉(zhuǎn)運(yùn)動的總重量。
3.5 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì)
機(jī)身，又稱為立柱，是支撐手臂的部件，并能輔助實(shí)現(xiàn)手臂的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰運(yùn)動。它里面有擺動液壓缸，通過擺動液壓缸的轉(zhuǎn)動帶動鍵，通過鍵帶動軸，進(jìn)行轉(zhuǎn)動。軸承支撐軸的旋轉(zhuǎn)，它是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用。對固定機(jī)器人，直接連接在地面基礎(chǔ)上，對移動式機(jī)器人，則安裝在移動機(jī)構(gòu)上。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手上、下機(jī)身由螺栓連接，葉片帶動回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸，從而帶動機(jī)身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
機(jī)座，起到支撐作用，它是固定機(jī)械手與地面之間的關(guān)鍵部分，用地腳螺釘連接在地面上，起到固定，支撐的作用。機(jī)構(gòu)簡圖如3.6所示：
1-彈性擋圈 2-地腳螺栓 3-立柱 4-機(jī)座
圖3.6 機(jī)座示意圖
機(jī)器人機(jī)座可分為固定式和行走式兩種，一般工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座為固定式。固定式機(jī)器人的機(jī)身直接連接在地面基礎(chǔ)上，也可以固定在機(jī)身上。
此處要求機(jī)械手的工作范圍比較小，故設(shè)計(jì)為固定式機(jī)器人，機(jī)身與機(jī)座用螺柱連接，機(jī)座用螺栓固定在地面基礎(chǔ)上。
機(jī)身設(shè)計(jì)要求：1）剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好2）運(yùn)動靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死3）驅(qū)動方式適宜，結(jié)構(gòu)布置合理。因?yàn)闄C(jī)身非常重要，機(jī)械手的各個部分是通過機(jī)身連接在一起的，機(jī)身決定了這些部分之間的相對精度。
機(jī)座設(shè)計(jì)要求：1) 抗壓強(qiáng)度高，不易發(fā)生形變，穩(wěn)定性好2）機(jī)座與地相連部分的端面需精加工，保障其端面粗糙度。
通過對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，了解到機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)由手指、手腕、伸縮手臂、俯仰手臂、機(jī)身、機(jī)座等幾大部分組成。通過對他們的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)械手的大體形狀已經(jīng)初步形成。思路比較清晰。后續(xù)的圖都根據(jù)機(jī)械手各個部分的結(jié)構(gòu)進(jìn)行畫。
3.6 本章小結(jié)
本章具體介紹機(jī)械手各個部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案以及各個部分的結(jié)構(gòu)示意簡圖，手指張緊、手臂伸縮、手臂升降、手臂回轉(zhuǎn)等部分之間的相互聯(lián)系，他們之間組成機(jī)械手各個部件的相互作用以及工作原理。手臂伸縮和手臂俯仰機(jī)構(gòu)內(nèi)部的液壓部分的工作原理，機(jī)身，機(jī)座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。將這些總裝到一起就構(gòu)成了一個機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第4章 機(jī)械手各部件載荷及結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算
4.1 設(shè)計(jì)要求分析
本課題設(shè)計(jì)的曲軸搬運(yùn)機(jī)械手采用關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系、全液壓驅(qū)動，具有手臂伸縮、俯仰、回轉(zhuǎn)和手腕回轉(zhuǎn)四個自由度，以及手指的抓取動作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)由手部抓取機(jī)構(gòu)、手腕回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手臂伸縮機(jī)構(gòu)、手臂俯仰機(jī)構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和各定位裝置等組成，每一部分均由液壓缸驅(qū)動與控制。
它完成的動作循環(huán)為：手臂前伸→手指夾緊抓料→手臂上升→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)→手腕回轉(zhuǎn)→手臂下降→手臂前伸→手指松開→手臂縮回→機(jī)身回轉(zhuǎn)復(fù)位→手腕回轉(zhuǎn)復(fù)位→待料。
4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的及尺寸設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)中采用四指V形結(jié)構(gòu)，指面光滑，避免工件被夾持部位的表面受損。手指的驅(qū)動采用彈簧復(fù)位（單活塞桿）單作用液壓缸，傳動機(jī)構(gòu)采用斜楔杠桿式復(fù)合回轉(zhuǎn)傳動，并在杠桿上裝有張緊彈簧，以保證手指夾緊驅(qū)動液壓缸的復(fù)位。手指厚度根據(jù)需要夾持的工件設(shè)定，V形指合攏后的的尺寸為工件被夾持部位直徑的外接正六邊形，保證了機(jī)械手工作時的可靠性。
4.2.1 手指夾緊機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算
手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。
手指對工件的夾緊載荷FN計(jì)算：
FNG （4.1）
式中： ——安全系數(shù)，通常取1.2～2.0；
——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可估算：
K2 = （4.2）
其中：——重力加速度；
——運(yùn)載工件時重力方向的最大上升加速度，可計(jì)算：
（4.3） ——運(yùn)載工件時重力方向的最大上升速度，0.07。
——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時間，一般取0.3～0.5。
——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選 定。 0.9～1.1。
——被抓取工件所受重力（N）。
計(jì)算可得：
N
手指夾緊由單作用液壓缸驅(qū)動實(shí)現(xiàn)，則手指夾緊缸的載荷為：
600N
分析液壓缸
活塞桿受壓時：
圖4.1 活塞桿受壓示意圖
（4.4）
活塞桿受拉時：
圖4.2 活塞桿受拉示意圖
式中： ——無桿活塞桿有效作用面積（）；
——有桿活塞桿有效作用面積（mm2）；
P1——液壓缸工作腔壓力0.8MPa；
P2——背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時可參照下表4.1，此處選取背壓0。
D——油缸內(nèi)徑（）；
d——活塞桿直徑（）。
表4.1 執(zhí)行元件背壓力
系統(tǒng)類型
背壓力/MPa
簡單系統(tǒng)或節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)
0.2～0.5
回油路帶調(diào)速閥系統(tǒng)
0.4～0.6
回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng)
0.5～1.5
用補(bǔ)油泵的閉式回路
0.8～1.5
回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械
1.2～3
回油路較短，且直接回油箱
可忽略不計(jì)
對單活塞桿缸，無桿腔進(jìn)液體或氣體時，不考慮機(jī)械效率。
手指夾緊采用的單作用活塞缸，由上面已知其載荷力大小。
(1)液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑的確定
根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況，總機(jī)械載荷
F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb （4.5）
式中: Fw——按題目給定為600N；
Fm——活塞上所受慣性力；
Fsf——密封阻力；
Ff-——導(dǎo)軌摩擦阻力；
Fb——回油背壓形成的阻力；
? Fm 計(jì)算：
Fm = （4.6）
式中： G——液壓缸所要移動的總重量，題目給定為3000N;(60kg+120kg+60kg)考慮到一些外在原因設(shè)計(jì)中總重量比工作中所需總重量多一些。所以選3000N
g——重力加速度，9.8m/s2
——速度變化量，由題知， =0.07m/s；
t——啟動或制動時間，一般為0.01s~0.5s，因移動不重的重物，取t=0.01s
將上式各值代入上式：
Fm==×=306.1N （4.7）
?Fsf-的計(jì)算：
Fsf-=pf A1 （4.8）
式中：f ——克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（Pa），如該液壓缸選O形密封圈，設(shè)液壓缸工作壓力p<16MPa，由相關(guān)設(shè)計(jì)手冊查得pf <0.3MPa，取pf =0.2MPa；
A1 ——進(jìn)油工作有效面積（m2），此時屬未定數(shù)值，初估計(jì)為70cm2 。
Fsf =0.2×106×0.007=1400N
? Ff 的計(jì)算：
該手臂材料選用鑄鐵，結(jié)構(gòu)受力。摩擦力為：
Ff = （4.9）
式中: G——移動總重量，3000N;
FZ ——切削力在導(dǎo)軌垂直方向的分力，F(xiàn)Z =N=2000N;
f ——摩擦因數(shù)，取f=0.1；
——V形導(dǎo)軌夾角，=90°
各值代入上式：
Ff =
=600N
Fb =pb A2 （4.10）
式中： pb——回油背壓，一般為0.3MPa~0.5MPa，取pb =0.3MPa；
A2——有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2，已初估計(jì)A1 =70cm2 故A2 =40cm2 。
各值代入上式：
Fb =pb A2 =0.3×106×0.004=1200N
分析液壓缸各工作階段受力情況，得知在工進(jìn)階段受力最大，作用在活塞上的總機(jī)械載荷為：
F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb =600+1400+600+1200=4800N
(2) 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作壓力：
P1 =0.8MPa
液壓缸工作腔有效面積：
A1 ===0.006(m2)=60cm2
D==87(cm)=87mm
活塞直徑：
D87mm 圓整為100mm
活塞桿直徑： d圓整為70mm（速率比為2）
液壓缸的缸筒長度由活塞桿最大行程、活塞長度、活塞桿導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度和特殊要求的其它長度確定。一般活塞桿寬度（1.6～1.0）；在>80時，導(dǎo)向套滑動面長度（0.6～1.0）。為了減少加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20～30倍。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取夾緊液壓缸缸筒長度160。
缸筒是液壓缸中最重要的零件,它承受液體作用的壓力,其臂厚需進(jìn)行計(jì)算?；钊麠U受軸向壓縮負(fù)載時，為避免發(fā)生縱向彎曲，還要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。
中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數(shù)屬薄壁微，即≥10時，其最薄處的壁厚用材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算壁厚，即：
（4.11）
式中：——缸筒內(nèi)最高工作壓力；
——缸筒材料的許用應(yīng)力，由下式可計(jì)算：
= （4.12）
式中： ——材料的抗拉強(qiáng)度，查機(jī)械手冊得610MPa；
——安全系數(shù)，當(dāng)≥10時一般取=5；當(dāng)<10時，稱為厚壁筒，高壓缸的缸筒大都屬于此類。
計(jì)算可得夾緊液壓缸壁厚20。
4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)的及尺寸的確定
? Fm 計(jì)算：
Fm = （4.13）
式中: G——液壓缸所要移動的總重量，題目給定為6000N;
g——重力加速度，9.8m/s2
——速度變化量，由題知， =0.07m/s；
t——啟動或制動時間，一般為0.01s~0.5s，因移動不重的重物，取t=0.1s
將上式各值代入上式：
Fm==×=420N
?Fsf-的計(jì)算：
Fsf-=pf A1 （4.14）
式中: f ——克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（Pa），如該液壓缸選O形密封圈，設(shè)液壓缸工作壓力p<16MPa，由相關(guān)設(shè)計(jì)手冊查得pf <0.3MPa，取pf =0.2MPa；
A1——進(jìn)油工作有效面積（m2），此時屬未定數(shù)值，初估計(jì)為120cm2 。
Fsf =0.2×106×0.012=2400N
? Ff 的計(jì)算:
該手臂材料選用鑄鐵，結(jié)構(gòu)受力。摩擦力為：
Ff = （4.15）
式中: G——移動總重量，6000N;
FZ ——切削力在導(dǎo)軌垂直方向的分力，F(xiàn)Z =N=20000N;
f ——摩擦因數(shù)，取f=0.1；
——V形導(dǎo)軌夾角，=90°
各值代入上式：
Ff =
=2600N
Fb =pb A2
式中： pb——回油背壓，一般為0.3MPa~0.5MPa，取pb =0.3MPa；
A2——有桿腔活塞面積，考慮兩邊差動比為2，已初估計(jì)A1 =120cm2 故A2 =70cm2 。
各值代入上式：
Fb =pb A2 =0.3×0.004=2100N
分析液壓缸各工作階段受力情況，得知在工進(jìn)階段受力最大，作用在活塞上的總機(jī)械載荷為：
F=Fw+Fm+Fsf+Ff+Fb+F手腕=6000+420+2400+2600+2100+4800=18320N
(3) 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作壓力
表4.2 載荷與工作壓力的關(guān)系
載荷/KN
<5
5～10
10～20
20～30
30～50
>50
工作壓力/MPa
<0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
≥5
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果取P2 =2MPa
液壓缸工作腔有效面積
A1 ===0.00916(m2)=91.6cm2
D==11.6(cm)=116mm
活塞直徑：
D116mm 查表圓整為160mm d圓整為110mm
手臂伸縮機(jī)構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由上面已知公式算出。同理，經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑160，活塞桿直徑101.5。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為160，活塞桿直徑100。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取手臂伸縮液壓缸缸筒長度2000，壁厚36。
4.4手臂俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的確定
手臂俯仰機(jī)構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由上面公式算出液壓缸內(nèi)徑D及活塞桿d。同理，經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑101，活塞桿直徑70.7。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為100，活塞桿直徑70。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取手臂俯仰液壓缸缸筒長度630，壁厚28。
4.5手腕擺動機(jī)構(gòu)的確定
手腕擺動選用的葉片式擺動液壓缸，由上面已知其載荷力矩的大小。
擺動液壓缸的排量為：
（4.16）
式中： T——液壓馬達(dá)的載荷轉(zhuǎn)矩（N）；
——液壓馬達(dá)的進(jìn)出口壓（Pa）,已知為0.8MPa。
計(jì)算可得：
/r
根據(jù)實(shí)際工況取設(shè)計(jì)中選取YMD30葉片擺動液壓缸。
4.6 機(jī)身擺動機(jī)構(gòu)的確定
機(jī)身擺動選用的葉片式擺動液壓缸，由上面已知其載荷力矩的大小。
擺動液壓缸的排量為
/r
根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)中選取YMD300的葉片擺動液壓缸。
4.7強(qiáng)度校核
活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向的推力和拉力，可以近似地用直桿承受拉壓負(fù)載的簡單強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算：
（4.17）
式中： ——活塞桿的作用力，單位N；
——活塞桿直徑，單位m；
——材料的許用應(yīng)力，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊為600MPa。
下面各液壓缸的活塞桿校核如下:
MPa
MPa
MPa
故<<，所以滿足強(qiáng)度要求。
4.8 彎曲穩(wěn)定性校核
活塞桿受軸向壓力作用時，有可能產(chǎn)生彎曲，當(dāng)此軸向力達(dá)到臨界值Fk時，
會出現(xiàn)壓桿不穩(wěn)定現(xiàn)象學(xué)，臨界值的大小與活塞桿長和直徑，以及缸的安裝方式等有關(guān)。只有當(dāng)活塞桿的計(jì)算長度≥10時，才進(jìn)行活塞桿的縱向穩(wěn)定性計(jì)算。所以只需校核手臂伸縮液壓缸，其計(jì)算按材料力學(xué)的有關(guān)公式進(jìn)行。
使缸保持穩(wěn)定性的條件為：
（4.18）
N
MPa （4.19）
m4 （4.20）
式中： F——缸承受的軸向壓力（N）；
nk——安全系數(shù)，一般取3.5～6；
K——液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，見機(jī)械設(shè)計(jì)手表20-6-17。
FK——活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界壓力（N），可由下式計(jì)算：
L——液壓缸支承長度（m）；
I——活塞桿橫截面慣性矩（m4），可由下式計(jì)算：
E——實(shí)際彈性模數(shù)，可由下式計(jì)算：
E——材料的彈性模數(shù)（MPa），鋼材；
a——材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般取a；
b——活塞桿截面不均勻系數(shù)，一般取b；
d——活塞桿直徑（m）。
計(jì)算可得：
4.9×
所以彎曲強(qiáng)度滿足要求。
4.9 本章小結(jié)
本章主要介紹機(jī)械手手指夾緊內(nèi)部液壓缸的計(jì)算設(shè)計(jì)，手臂伸縮缸的設(shè)計(jì)計(jì)算、手臂俯仰缸的設(shè)計(jì)計(jì)算。手指擺動機(jī)構(gòu)的的設(shè)計(jì)、手臂擺動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、以及各項(xiàng)設(shè)計(jì)計(jì)算的校核。根據(jù)計(jì)算出來的結(jié)構(gòu)繪制機(jī)械手各部分的圖，本章對機(jī)械手圖形設(shè)計(jì)很重要，很多圖形都是根據(jù)本章設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)制作的。
第5章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
5.1 液壓缸或液壓馬達(dá)所需流量的確定
5.1.1 液壓缸工作時所需流量
（5.1）
式中： ——液壓缸有效作用面積（m2）；
——活塞與缸體的相對速度（）。
1.無桿活塞桿有效作用面積：
（5.2）
式中: ——油缸內(nèi)徑（）。
2.有桿活塞桿有效作用面積：
（5.3）
式中: ——活塞桿直徑（）。經(jīng)過計(jì)算可得各活塞的有效面積如下表5.1所示：
表5.1 各活塞的有效面積
有效面積
液壓缸
(mm2)
(mm2)
手臂俯仰油缸
7850
4003.5
手臂伸縮油缸
20096
12246
手指夾緊油缸
7850
4003.5
經(jīng)過計(jì)算可得各液壓缸流量下表5.2所示：
5.2 液壓馬達(dá)工作時的流量
查表得YMD30擺角90°，流量（內(nèi)泄漏量）為300；YMD300擺角270°，流量（內(nèi)泄漏量）為470。
知道流量后，根據(jù)流量選擇泵提供多大的工作壓力，選擇額定的工作壓力后，系統(tǒng)才能正常工作。實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各個部分的工作，5個部分的流量都計(jì)算出來，然后通過液壓閥進(jìn)行控制，滿足每個缸所需要的流量。這樣保證系統(tǒng)的正常工作。
手腕能回轉(zhuǎn)90°，機(jī)身通過液壓缸的控制能回轉(zhuǎn)270°，這樣都能滿足機(jī)械手的設(shè)計(jì)要求。
表5.2 各液壓缸流量
工 況
執(zhí)行元件
運(yùn)動速度m/s
結(jié)構(gòu)參數(shù)(m2)
流量
(L/s)
計(jì)算公式
手指夾緊
夾緊缸
0.035
=0.0079
0.28
手指松開
0.070
=0.0040
手臂前伸
伸縮缸
0.042
=0.0201
0.85
手臂縮回
0.070
=0.0122
手臂上升
俯仰缸
0.035
=0.0079
0.28
手臂下降
0.07
=0.0040
5.3 液壓缸或液壓馬達(dá)主要零件的結(jié)構(gòu)材料及技術(shù)要求
5.3.1 缸體
液壓缸缸體的常用材料有20、35、45號無縫鋼管。因20號鋼的力學(xué)性能略低，且不能調(diào)質(zhì)，應(yīng)用較少。當(dāng)缸筒與缸底、缸頭、管接頭或耳軸等件需焊接時，則應(yīng)采用焊接性能比較好的35鋼，初加工后調(diào)質(zhì)。一般情況下，均采用45鋼，并調(diào)質(zhì)到241～285HB。缸體毛坯也可采用鍛鋼、鑄鋼或鑄鐵件。鑄鐵可采用ZG35B等材料，鑄鐵可采用HT200～HT350間幾個牌號或球墨鑄鐵。特殊情況下，可采用鋁合金等材料。
設(shè)計(jì)中缸體材料選用45號鋼，并應(yīng)調(diào)質(zhì)到241～285HB。缸體內(nèi)徑采用H8配合?；钊捎孟鹉z密封圈密封，該密封結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，密封可