1965_小型夾持式機(jī)械手及手臂設(shè)計(jì)

1965_小型夾持式機(jī)械手及手臂設(shè)計(jì),小型,夾持,機(jī)械手,手臂,設(shè)計(jì) 黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 1 頁 1 緒論1.1 課題研究的目的和意義機(jī)器人是人類很早就夢想制造的、具有仿生性且處處聽命于人的自動(dòng)化機(jī)器，它可以幫助人類完成很多危險(xiǎn)、繁重、重復(fù)的體力勞動(dòng)。機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物，它涉及機(jī)械、控制、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能、知識庫系統(tǒng)以及認(rèn)識科學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域，是當(dāng)代最具有代表性的機(jī)電一體化技術(shù)之一。人類文明的發(fā)展、科技的進(jìn)步已和機(jī)器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了密不可分的關(guān)系。為了適應(yīng)社會(huì)的需求，各院校都比較重視機(jī)器人技術(shù)和控制技術(shù)等課程在機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)的開設(shè)，使培養(yǎng)的學(xué)生懂得機(jī)器人設(shè)計(jì)方面的技術(shù)。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航空航天、商業(yè)、旅游、醫(yī)藥衛(wèi)生、辦公自動(dòng)化及生活服務(wù)等眾多領(lǐng)域獲得了越來越普遍的應(yīng)用。機(jī)器人技術(shù)不斷進(jìn)步與創(chuàng)新，所到之處使整個(gè)制造業(yè)乃至整個(gè)社會(huì)都發(fā)生了和正在發(fā)生著翻天覆地的變化。機(jī)器人是最具代表性的現(xiàn)代多種高新技術(shù)的綜合體，它可以從某個(gè)角度折射出一個(gè)國家的科學(xué)水平和綜合國力。由于社會(huì)的需求，造就了一批從事設(shè)計(jì)、開發(fā)和使用機(jī)器人的高級人才。而設(shè)計(jì)和開發(fā)的基礎(chǔ)，是對機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等的理解和掌握，才能較好的使用其中的資源來進(jìn)行設(shè)計(jì)。故此本文介紹了機(jī)器人設(shè)計(jì)的基本理論，討論了機(jī)器人本體基本結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)容，描述了機(jī)器人控制器和傳感器等的基本原理，然后再介紹機(jī)器人軌跡規(guī)劃和靜力分析方面的知識，使學(xué)生既懂得怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)器人，同時(shí)能熟練地運(yùn)用此設(shè)計(jì)理論。機(jī)器人技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)高度集成和交融的產(chǎn)物，計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷肩部和發(fā)展使機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展一次次達(dá)到一個(gè)新的水平。機(jī)器人涉及機(jī)械、控制、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、知識庫系統(tǒng)以及認(rèn)識科學(xué)等諸多學(xué)科領(lǐng)域，成為高科技中極為重要的組成部分。人類文明的發(fā)展、科技的進(jìn)步已和機(jī)器人的研究、應(yīng)用產(chǎn)生了不可分的關(guān)系。機(jī)器人技術(shù)是當(dāng)代最具代表性的機(jī)電一體化技術(shù)之一。機(jī)器人已廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、國防、科技、生活等各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)中應(yīng)用得特別廣泛，而其與外界環(huán)境直接接觸的部分是機(jī)械手，它可以代替人手，與外界環(huán)境中有毒以及有害的物黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 2 頁 質(zhì)直接接觸以減少對人的危害，它具有能不斷重復(fù)工作和勞動(dòng)、不知疲勞、不怕危險(xiǎn)、抓舉重物的力量比人手大等特點(diǎn)。人類社會(huì)的發(fā)展已離不開機(jī)器人技術(shù)，而機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步又對推動(dòng)科技發(fā)展起著不可代替的作用。因此，設(shè)計(jì)機(jī)械手有特別重要的意義。1.2 國內(nèi)外研究狀況目前，對全球機(jī)器人技術(shù)發(fā)展最有影響的國家應(yīng)該是美國和日本。美國在機(jī)器人技術(shù)的綜合研究水平上仍處于領(lǐng)先地位，而日本生產(chǎn)的機(jī)器人在數(shù)量、種類方面則居世界首位。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了機(jī)器人學(xué)的建立，許多國家成立了機(jī)器人協(xié)會(huì)，美國、日本、英國、瑞典等國家設(shè)立了機(jī)器人學(xué)學(xué)位。20 世紀(jì) 70 年代以來，許多大學(xué)開設(shè)了機(jī)器人課程，開展了機(jī)器人學(xué)的研究工作，如美國的 MIT、RPI、Stanford、Carnegie-Mellon、Conell 、Purdue、Univ of California等大學(xué)都是研究機(jī)器人學(xué)富有成果的著名學(xué)府。隨著機(jī)器人學(xué)的發(fā)展，相關(guān)的國際學(xué)術(shù)交流活動(dòng)也日漸增多，目前最有影響的國際會(huì)議是 IEEE 每年舉行的機(jī)器人學(xué)及自動(dòng)化國際會(huì)議，此外還有國際工業(yè)機(jī)器人會(huì)議(ISIR) 和國際工業(yè)機(jī)器人技術(shù)會(huì)議(CIRT) 等。出版的相關(guān)期刊有“Robot Today”、 “Robotics Research”、 “Robotics and Automation”等多種。我國的機(jī)器人技術(shù)起步較晚，約于 20 世紀(jì) 70 年代末、80 年代初開始。20 世紀(jì) 90年代中期，6000 以下深水作業(yè)機(jī)器人試驗(yàn)成功，以后的近 10 年中，在步行機(jī)器人、m精密裝配機(jī)器人、多自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人的研制等國際前沿領(lǐng)域逐步縮小了與世界先進(jìn)水平的差距。1.3 機(jī)械手的特點(diǎn)機(jī)械手最顯著的特點(diǎn)有以下幾個(gè):（1） 可編程 生產(chǎn)自動(dòng)化的進(jìn)一步發(fā)展是柔性自動(dòng)化。機(jī)械手可隨其工作環(huán)境變化的需要而再編程，因此它在小批量多品種具有均衡高效率的柔性制造過程中能發(fā)揮很好的功用，是柔性制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。（2） 擬人化 能模仿人手和手臂的某些動(dòng)作功能，用來按固定程序抓取、搬運(yùn)物件或操作工具的自動(dòng)操作裝置。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)人身安全黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 3 頁 （3） 通用性 除了專門設(shè)計(jì)的專用機(jī)械手外，一般機(jī)械手在執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)時(shí)具有較好的通用性。比如，更換機(jī)械手部末端操作器(手爪、工具等)便可執(zhí)行不同的作業(yè)任務(wù)。1.4 機(jī)械手的組成作為一個(gè)系統(tǒng)，一般來說，機(jī)械手由三部分、六個(gè)子系統(tǒng)組成。這三部分是機(jī)械部分、傳感部分、控制部分；六個(gè)子系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、機(jī)械手- 環(huán)境交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。（1） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要指驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)裝置。根據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可分為電動(dòng)、液壓、氣動(dòng)以及把它們結(jié)合起來應(yīng)用的綜合系統(tǒng)。（2） 機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng)又稱操作機(jī)或執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，它由一系列連桿、關(guān)節(jié)或其他形式的運(yùn)動(dòng)副所組成。機(jī)械系統(tǒng)通常包括臂關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)和手爪等，構(gòu)成一個(gè)多自由度的機(jī)械系統(tǒng)。（3） 感知系統(tǒng)感知系統(tǒng)由內(nèi)部傳感器模塊和外部傳感器模塊組成，獲取內(nèi)部和外部環(huán)境狀態(tài)中有用的信息。（4） 控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)的任務(wù)是根據(jù)機(jī)械手的作業(yè)指令程序以及從傳感器反饋回來的信號支配機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成規(guī)定的引動(dòng)和功能。（5） 機(jī)械手-環(huán)境交互系統(tǒng)工業(yè)機(jī)械手-環(huán)境交互系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與外部環(huán)境中的設(shè)備相互聯(lián)系和協(xié)調(diào)的系統(tǒng)。（6） 人機(jī)交互系統(tǒng)人機(jī)交互系統(tǒng)是使操作人員參與機(jī)械手控制并與機(jī)械手進(jìn)行聯(lián)系的裝置，一般來說，人機(jī)交互系統(tǒng)可分為兩大類：指令給定裝置和信息顯示裝置。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 4 頁 2 總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)機(jī)械手的第一步是進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，即在充分調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行可行性分析論證，確定夾持機(jī)械手的使用范圍、夾持方法、初選各部件的結(jié)構(gòu)和總體布局等。這是整臺機(jī)器技術(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。因此，在擬定總體方案時(shí)，必須全面地考慮，使確定的方案既先進(jìn)有經(jīng)濟(jì)效益高。2.1 機(jī)械手動(dòng)作規(guī)劃本設(shè)計(jì)要求機(jī)械手能實(shí)現(xiàn)對 5kg 以內(nèi)物品的夾持，同時(shí)實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，抬起運(yùn)動(dòng)。為了滿足設(shè)計(jì)要求，首先要考慮所要設(shè)計(jì)的機(jī)械手的自由度。在三維空間描述一個(gè)物體的位置和位姿需要 6 個(gè)自由度。機(jī)械手的自由度是根據(jù)用途而設(shè)計(jì)的，可能小于也可能大于 6 個(gè)自由度。本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手具有兩個(gè)自由度，即機(jī)械手的翻轉(zhuǎn)、抬起運(yùn)動(dòng)，不包括手爪（末端執(zhí)行器）的開合自由度。如圖 2.1 所示：圖 2.1 機(jī)械手動(dòng)作規(guī)劃示意圖2.2 傳動(dòng)方案的確定傳動(dòng)方案反映運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞路線和各部件的組成和聯(lián)接關(guān)系。合理的傳動(dòng)方案首先要滿足機(jī)器的功能要求，例如傳動(dòng)功率的大小，轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)形式。此外還要適應(yīng)工作條件（工作環(huán)境、場地、工作制度等） ，滿足工作可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊、傳動(dòng)效率高、使用維護(hù)便利、工藝性和經(jīng)濟(jì)性合理等要求。同時(shí)滿足這些要求是比較困難的，因此要通過分析比較多種方案，來選擇能保證重點(diǎn)要求的較好的傳動(dòng)方案。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 5 頁 2.2.1 手部方案的確定手部最重要的部分是機(jī)械夾持器，首先它應(yīng)具有夾持和松緊的功能。夾持器夾持工件是，應(yīng)有一定的力約束和形狀約束，以保證被夾持工件在移動(dòng)、停留和裝入過程中，不改變姿態(tài)。當(dāng)需要松開工件時(shí)，應(yīng)完全松開，另外它還應(yīng)保證工件夾持姿態(tài)在現(xiàn)幾何偏差在給定的公差帶內(nèi)。機(jī)械夾持器可分為圓弧開合型、圓弧平行開合型和直線平行開合型。本次設(shè)計(jì)選用圓弧開合型，這種類型在傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下，手指指端的運(yùn)動(dòng)軌跡為圓弧，兩手指繞支點(diǎn)做圓弧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在對工件進(jìn)行加緊和定心。這類夾持器對工件被夾持部位的尺寸有嚴(yán)格要求，否則可能會(huì)造成工件狀態(tài)失常。其結(jié)構(gòu)如圖 2.2 所示。圖 2.2 手爪示意圖2.2.2 手臂回轉(zhuǎn)方案的確定手 臂 回 轉(zhuǎn) 機(jī) 構(gòu) 有 回 轉(zhuǎn) 軸 、 軸 承 和 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 組 成 。 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 有 直 接 驅(qū) 動(dòng) 和 間 接 驅(qū) 動(dòng) 等形 式 。 如 圖 2.3 所 示 ， 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 和 回 轉(zhuǎn) 軸 同 軸 ， 這 種 形 式 直 接 驅(qū) 動(dòng) 回 轉(zhuǎn) 軸 ， 回 轉(zhuǎn) 軸 通 過軸 承 的 支 撐 和 導(dǎo) 向 作 用 ， 帶 動(dòng) 手 臂 回 轉(zhuǎn) ， 這 種 結(jié) 構(gòu) 有 較 高 的 定 位 精 度 。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 6 頁 圖 2.3 手 臂 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) 示 意 圖回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中軸承起著相當(dāng)重要的作用，用于轉(zhuǎn)到關(guān)節(jié)的軸承有多種形式，球軸承是機(jī)械手結(jié)構(gòu)中最常用的軸承。球軸承能承受徑向和軸向載荷，摩擦較小，對軸承和軸承座的剛度不敏感。至于手臂回轉(zhuǎn)軸承的選擇將在以下章節(jié)用介紹。2.2.3 手臂俯仰方案的確定機(jī)械手手臂俯仰運(yùn)動(dòng)通常采用擺臂油（氣）缸驅(qū)動(dòng)、鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂的俯仰，本次設(shè)計(jì)采用油缸驅(qū)動(dòng)。如圖 2.4 所示，手臂俯仰運(yùn)動(dòng)用的活塞缸位于手臂下方，其活塞桿和手臂用鉸鏈連接，缸體采用尾部耳環(huán)或中部銷軸等方式與立柱連接。圖 2.4 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)示意圖黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 7 頁 3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對小型夾持機(jī)械手及手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容為：手部設(shè)計(jì)、手臂回轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)和手臂俯仰設(shè)計(jì)。3.1 手部設(shè)計(jì)機(jī)械手的手部也叫做末端執(zhí)行器，它是裝在機(jī)械手手腕上直接抓握工件或執(zhí)行作業(yè)的部件。手部主要具有以下特點(diǎn)：（1） 手部和腕部相連處可拆卸。（2） 手部是機(jī)器人末端執(zhí)行器。（3） 手部的通用性比較差。（4） 手部是一個(gè)獨(dú)立的部件。3.1.1 手指夾緊力的確定為了增大夾緊力，在機(jī)械手手爪加緊面上加上橡膠，通過增大摩擦系數(shù)來加大夾緊力。 選擇被夾物體的材料為鐵，則摩擦系數(shù) =0.45。由于設(shè)計(jì)要求能夾持 5kg 重?的物體，所以，夾緊力 為：QFmg??（3.1）= = =108.9（N）QF45.089?3.1.2 手指結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手部設(shè)計(jì)和選用時(shí)最主要的是滿足功能上的要求。首先要考慮的是要抓握什么樣的工件，本次設(shè)計(jì)選用被夾持物體的材料為鐵，其密度 ，形狀尺寸31086.7mkg???為圓柱體，選取高 = ，則被夾持物體的半徑為：hm10= 14.30186.753???R? )(5m黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 8 頁 （3.2）則夾緊時(shí)手爪作用點(diǎn)之間的距離為 2R。機(jī)械手通常利用手指與工件接觸面間的摩擦力來夾持工件。工件在被夾持的過程中，從靜止?fàn)顟B(tài)開始可能有多種運(yùn)動(dòng)形式。在不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，工件的受力情況是不同的，當(dāng)工件處于靜止或勻速移動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，工件除了與手爪的作用力外，所承受的只用重力；當(dāng)工件加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其受力情況還應(yīng)考慮慣性力的影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對夾持器的各種工作狀態(tài)進(jìn)行分析，使其結(jié)構(gòu)能提供必學(xué)的夾持力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料，手部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖：圖 3.1 手爪設(shè)計(jì)分析圖 圖中,e 為支持器活塞中心至手指支點(diǎn)的距離； 為手指支點(diǎn)至指端（與工件接觸點(diǎn)）的l長度； 為手指支點(diǎn)銷軸的半徑； 為液壓缸所需要提供的軸向作用力； 為手指回rPF1F轉(zhuǎn)有效分力， = ； 2為垂直分力， ； 為單手指指端作用1FPcos?2sin2?PF?Q力（加持力） ； 為壓力角； 為構(gòu)件間相互摩擦系數(shù)。由圖可知手指對手指支點(diǎn)的力?矩平衡式為0sin221???rFelpQ??整理得黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 9 頁 )]sincosin([2???relFpQ???考慮到手指夾持工件時(shí)， ，若忽略摩擦影響（ ） ，則上式可簡化為0??0?（3.3）leFpQ2?根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)要求，并考慮手部結(jié)構(gòu)的特征，取 =20 , =60eml則所需提供軸向作用力為 =elFQp2?)(4.653209.18N??3.2 臂部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)器人的手臂由大臂、小臂（或多臂）組成。手臂的驅(qū)動(dòng)方式主要有液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)幾種形式，其中電動(dòng)形式最為通用。臂部設(shè)計(jì)需要注意以下問題：(1) 承載能力足。不僅要考慮抓取物體的重量，還要考慮運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)載荷。(2) 剛度高。為防止臂部在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生過大的變形，應(yīng)合理選擇手臂的截面形狀。工字形截面彎曲剛度一般比圓截面大，空心管的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都比實(shí)心軸的大得多，所以常用鋼管制作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼制作支承板。(3) 導(dǎo)向性能好，動(dòng)作迅速、靈活、平穩(wěn)，定位精度高。為防止手臂在直線運(yùn)動(dòng)過程中沿運(yùn)動(dòng)軸線發(fā)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。由于臂部運(yùn)動(dòng)速度越高，定位前慣性力引起的沖擊也就越大，運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，定位精度也不高。因此，除了臂部設(shè)計(jì)力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕外，同時(shí)要采用一定形式的緩沖措施。(4) 重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小。為提高機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度，要盡量減少臂部運(yùn)動(dòng)部分的重量，以減少整個(gè)手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。(5) 合理設(shè)計(jì)與腕和機(jī)身的連接部位。臂部安裝形式和位置不僅關(guān)系到機(jī)器人的強(qiáng)度、剛度和承載能力，而且還直接影響機(jī)器人的外觀。3.2.1 手臂材料的選擇黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 10 頁 機(jī)械手手臂材料應(yīng)根據(jù)手臂的工作狀況來選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，手臂要完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，對材料的一個(gè)要求是作為運(yùn)動(dòng)的部件，它應(yīng)是輕型材料。而另一方面，手臂在運(yùn)動(dòng)過程中往往會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，這將大大降低它的運(yùn)動(dòng)精度。因此，選擇材料時(shí)，需要對質(zhì)量、剛度、阻尼進(jìn)行綜合考慮，以便有效地提高手臂的動(dòng)態(tài)性能。機(jī) 械 手 手臂 材 料 首 先 應(yīng) 是 結(jié) 構(gòu) 材 料 。 手 臂 承 受 載 荷 時(shí) 不 應(yīng) 有 變 形 和 斷 裂 。 從 力 學(xué) 角 度 看 ， 即 要 具有 一 定 的 強(qiáng) 度 。 手 臂 材 料 應(yīng) 選 擇 高 強(qiáng) 度 材 料 ， 如 鋼 、 鑄 鐵 、 合 金 鋼 等 。 機(jī) 器 人 手 臂 是 運(yùn)動(dòng) 的 ， 又 要 具 有 很 好 的 受 控 性 ， 因 此 ， 要 求 手 臂 比 較 輕 。 綜 合 而 言 ， 應(yīng) 該 優(yōu) 先 選 擇 強(qiáng) 度大 而 密 度 小 的 材 料 制 作 手 臂 ， 其 中 ， 非 金 屬 材 料 有 尼 龍 6、 聚 乙 烯 (PEH)和 碳 素 纖 維 等 ；金 屬 材 料 以 輕 合 金 (特 別 是 鋁 合 金 )為 主 。 因 此 ， 本 次 設(shè) 計(jì) 選 擇 手 臂 的 材 料 為 鋁 合 金 。3.2.2 手 臂 回 轉(zhuǎn) 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)，如圖 2.3 所示。這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，運(yùn)動(dòng)靈活，響應(yīng)快，精度高等特點(diǎn)?；剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的是對電動(dòng)機(jī)、軸承和聯(lián)軸器等設(shè)計(jì)。1、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)概論手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸與回轉(zhuǎn)軸用聯(lián)軸器進(jìn)行聯(lián)接。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)一般作為開環(huán)伺服系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有時(shí)也用于閉環(huán)伺服系統(tǒng)，它是一種將脈沖電信號轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移的一種 D/A 轉(zhuǎn)換裝置。按照輸出位移的不同，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可分為回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直線式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。機(jī)器人中一般采用回轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。如果把步進(jìn)電動(dòng)機(jī)裝在機(jī)器人回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)軸上，則接收一個(gè)電脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)就帶動(dòng)機(jī)器人的關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)不斷地接收脈沖，則關(guān)節(jié)軸連續(xù)不斷地轉(zhuǎn)動(dòng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)過的角度與接收的脈沖數(shù)成正比。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1） 輸出角度精度高，無積累誤差，慣性小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出精度主要由步距角來反映。所謂步距角是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)接收一個(gè)脈沖電信號其輸出軸轉(zhuǎn)過的角度。目前步距角一般可以做到 0.002°～0.005° 甚至更小。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)際步距角與理論步距角總存在一定的誤差，這誤差在電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間內(nèi)會(huì)逐步積累，但當(dāng)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一周后其轉(zhuǎn)軸又回到初始位置，使誤差回到零。（2） 輸入和輸出呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。輸出角度不受電壓、電流及波形等因素黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 11 頁 的影響，取決于輸入脈沖數(shù)的多少。（3） 容易實(shí)現(xiàn)位置、速度控制，起、停及正、反轉(zhuǎn)控制方便。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的位置(輸出角度) 由輸入脈沖數(shù)確定，其轉(zhuǎn)速由輸入脈沖的頻率決定，正、反轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)向)由脈沖輸入的順序決定，而脈沖數(shù)、脈沖頻率、脈沖順序都可方便地由計(jì)算機(jī)輸出控制。（4） 輸出信號為數(shù)字信號，可以與計(jì)算機(jī)直接接口。（5） 結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，可靠性好，壽命長。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)按照勵(lì)磁方式分有反應(yīng)式、永磁式和混合式。這里以反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為例說明其工作原理。如圖 3.2 所示為單定子、徑向分相三相反應(yīng)式伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。與普通電動(dòng)機(jī)一樣，該電動(dòng)機(jī)有定子和轉(zhuǎn)子兩部分，其中定子又分定子鐵心和定子繞組。定子鐵心由電工鋼片疊壓而成，其形狀如圖下圖所示。定子繞組是繞置在定子鐵心 6 個(gè)均勻分布的齒上的線圈，直徑方向上相對的兩個(gè)齒上的線圈串聯(lián)在一起，構(gòu)成一相控制繞組。若任一相繞組通電，便形成一組定子磁極，其方向即圖中所示的 N、S 極。在定子的每個(gè)磁極即定子鐵心上每個(gè)齒又開了 5 個(gè)小齒，齒槽等寬，齒間夾角是 9°，與磁極上的小齒一致。此外，三相定子磁極上的小齒在空間位置上依次錯(cuò)開 1/3 齒距。當(dāng) A 相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的齒對齊時(shí)，B 相磁極上的小齒剛好超前或滯后轉(zhuǎn)子上的齒 1/3 齒距角， C 相磁極超前或滯后 2/3 齒距角。1— 定子繞組；2—定子鐵心；3—轉(zhuǎn)子；4—A 相磁通圖 3.2 伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖當(dāng) A 相繞組通電時(shí)，轉(zhuǎn)子上的齒與定子 AA 上的小齒對齊。若 A 相斷電，B 相通電，由于磁力的作用，轉(zhuǎn)子的齒與定子 BB 上的小齒對齊，轉(zhuǎn)子沿順時(shí)針方向轉(zhuǎn)過 3°。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 12 頁 如果控制線路不斷地按 A→B→C→A→…的順序控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)繞組的通、斷電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子則不停地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。若通電順序改為 A→C →A→A→…，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子將逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這種通電方式稱為三相單三拍通電方式。通常為了得到小的步距角和較好的輸出性能，用三相六拍通電方式，其通電順序?yàn)锳→AB→B →BC →C→CA→A→…(順時(shí)針) 和 A→AC →C→CB →B→BA →A →…，相應(yīng)地繞組的通電狀態(tài)每改變一次，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 1.5°。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可用下式表示 360/()mzk???（3.4 ）式中： ?為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角； 為定子繞組的相數(shù)； z為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)； k為通電方式常數(shù)， m相 拍通電時(shí) k=1， 相 2 拍通電時(shí) =2。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器、功率放大器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。硬件步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器由脈沖發(fā)生器、環(huán)形分配器、控制邏輯等組成。它的作用是把代表轉(zhuǎn)速的脈沖數(shù)分配到電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組上，使電動(dòng)機(jī)按既定的方向和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置。2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇根據(jù)需要，本設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)選用 5 相 PK 系列單轉(zhuǎn)軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，型號為 PK564-A 。5 相 PK 系列為 1 轉(zhuǎn) 500 分割（0.72°/step）的高轉(zhuǎn)矩·低振動(dòng)型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。為了適應(yīng)所有的驅(qū)動(dòng)方式，導(dǎo)線規(guī)格設(shè)計(jì)為 10 條導(dǎo)線。其實(shí)體模型如圖 3.3 所示：圖 3.3 步進(jìn)電機(jī)實(shí)體圖和其配套使用的還有安裝底座、彈性聯(lián)軸器、制振器等。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的尺寸參數(shù)如下圖：黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 13 頁 圖 3.4 步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸圖其中： L1=46.5mm，L2=69.5 。m步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的其它規(guī)格如表 3.1：表 3.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)規(guī)格安裝尺寸mm 品名保持轉(zhuǎn)矩mN·轉(zhuǎn)到慣量 2/kg額定電流A/相線圈電阻/相?基本步距角重量kg□60 PK564-A 42.07105??5.3.2?7.06.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性如下圖：圖 3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩—轉(zhuǎn)速特性圖3、 電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核由于所夾持工件為回轉(zhuǎn)體，且回轉(zhuǎn)過程為勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，所以不會(huì)裁成轉(zhuǎn)矩。在轉(zhuǎn)到過程中，只有軸承和聯(lián)軸器產(chǎn)生的摩擦，以及手爪結(jié)構(gòu)不平衡產(chǎn)生的力矩。由于這些黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 14 頁 轉(zhuǎn)矩?fù)p失非常小，可以忽略不計(jì)，因此所選電動(dòng)機(jī)滿足設(shè)計(jì)要求。4、 聯(lián)軸器的選擇（1） 類型選擇為了隔離振動(dòng)與沖擊，并保證較高的定位精度，選用彈性無齒隙聯(lián)軸器。（2） 載荷計(jì)算從表 1 得知電動(dòng)機(jī)公稱轉(zhuǎn)矩 mNT·42.0?由《機(jī)械設(shè)計(jì)》表 14-1，即表 3.2，查得 ,故由《機(jī)械設(shè)計(jì)》式（14-3）AK3.（3.5）ca得計(jì)算轉(zhuǎn)矩為TAca?mN·96.042.3??表 3.2 工作情況系數(shù) K AK A工作機(jī)原動(dòng)機(jī)分類 工作情況及舉例電動(dòng)機(jī)汽輪機(jī)雙缸內(nèi)燃機(jī)單缸內(nèi)燃機(jī)1 轉(zhuǎn)矩變化很小，如發(fā)電機(jī)、小型離心泵 1.3 1.8 2.02 轉(zhuǎn)矩變化小，如透平壓縮機(jī)、運(yùn)輸機(jī) 1.5 2.0 2.43 轉(zhuǎn)矩變化中等，如攪拌機(jī)、增壓機(jī)、沖床 1.7 2.2 2.64 轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷中等，如織布機(jī)、拖拉機(jī) 1.9 2.4 2.85 轉(zhuǎn)矩變化和沖擊載荷較大，如造紙機(jī)，碎石機(jī) 2.3 2.8 3.26 轉(zhuǎn)矩變化大并有極強(qiáng)烈沖擊載荷 3.1 3.6 4.0（3） 型號選擇從 4324-84 中查得 TL1 型彈性聯(lián)軸器的許用轉(zhuǎn)矩為 ,許用最大轉(zhuǎn)速為GB 3.6mN·8800 ，軸徑為 6~14mm 之間，故合用。min/r黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 15 頁 5、軸承的選擇根據(jù)工作條件決定選用角接觸球軸承。由于受回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)尺寸的限制，選擇左端支撐軸承型號為 7012 ，右端支撐軸承型號為 7000 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和估算，確定所CC選軸承滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.3 手臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手 臂 俯 仰 結(jié) 構(gòu) 如 圖 2.4 所 示 ， 手 臂 俯 仰 機(jī) 構(gòu) 采 用 液 壓 缸 直 接 驅(qū) 動(dòng) 。 俯 仰 機(jī) 構(gòu) 中 要 有控 制 手 臂 仰 起 角 度 的 機(jī) 構(gòu) ， 如圖 3.6 所示。 圖 3.6 手臂俯仰結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)手臂仰起到一定角度時(shí)，手臂尾部將被立柱擋住而不能繼續(xù)仰起，從而控制手臂俯仰范圍。這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，靈活性好，可靠性高。手臂俯仰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最主要的是對俯仰液壓缸進(jìn)行設(shè)計(jì)，對手臂俯仰缸的設(shè)計(jì)將在以后章節(jié)中介紹。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 16 頁 4 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，應(yīng)該明確液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、計(jì)算的步驟和方法。液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須重視調(diào)查研究，注意借鑒別人的經(jīng)驗(yàn)。一般來說，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)著重解決的主要問題是滿足工作部件對力和運(yùn)動(dòng)兩方面的要求。在滿足工作性能和工作可能性的前提下，應(yīng)力求系統(tǒng)簡單、經(jīng)濟(jì)且維護(hù)方便。具體的設(shè)計(jì)步驟如下：（1） 明確設(shè)計(jì)依據(jù)，進(jìn)行工況分析（2） 初步確定液壓系統(tǒng)參數(shù)（3） 擬定液壓系統(tǒng)原理圖（4） 計(jì)算、選擇或設(shè)計(jì)液壓元件4.1 驅(qū)動(dòng)方式的選擇驅(qū)動(dòng)部分是機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可分為以下幾類:（1） 氣壓驅(qū)動(dòng) 使用壓力通常在 0. 4~0. 6Mpa，最高可達(dá) 1Mpa。氣壓驅(qū)動(dòng)主要優(yōu)點(diǎn)是氣源方便 (一般工廠都由壓縮空氣站供應(yīng)壓縮空氣 )，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可以在高溫、粉塵等惡劣的環(huán)境中工作。氣壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是功率質(zhì)量比小，裝置體積大，同時(shí)由于空氣的可壓縮性使得機(jī)器人在任意定位時(shí)，位姿精度不高。適用于易燃、易爆和灰塵大的場合。（2） 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用 2-15Mpa 的油液驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，體積較氣壓驅(qū)動(dòng)小，功率質(zhì)量比大，驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，且系統(tǒng)的固有效率高，快速性好，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)調(diào)速比較簡單，能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速。用電液伺服控制液體流量和運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，可以使機(jī)器入的軌跡重復(fù)性提高。液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是易漏油，這不僅影響工作穩(wěn)定性和定位精度，而且污染環(huán)境。液壓驅(qū)動(dòng)多用于要求輸出力較大，運(yùn)動(dòng)速度較低的場合。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 17 頁 （3） 電氣驅(qū)動(dòng) 電氣驅(qū)動(dòng)是利用各種電機(jī)產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩，直接或經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，減少了由電能變?yōu)閴毫δ艿闹虚g環(huán)節(jié)，直接獲得要求的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。由于電氣驅(qū)動(dòng)具有易于控制，運(yùn)動(dòng)精度高，響應(yīng)快，使用方便，信號監(jiān)測、傳遞和處理方便，成本低廉，驅(qū)動(dòng)效率高，不污染環(huán)境等諸多優(yōu)點(diǎn)，電氣驅(qū)動(dòng)己經(jīng)成為最普遍，應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式，90 年代后生產(chǎn)的機(jī)器人大多數(shù)采用這種驅(qū)動(dòng)方式。由于機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載小，要求結(jié)構(gòu)簡單、定位精度高，所以選用了電氣驅(qū)動(dòng)方式。即手臂旋轉(zhuǎn)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行機(jī)構(gòu)。而夾緊和抬起運(yùn)動(dòng)要求體積小、質(zhì)量比大、驅(qū)動(dòng)平穩(wěn)，所以選用液壓驅(qū)動(dòng)方式。即采用單桿液壓缸對工件進(jìn)行夾緊，手臂的抬起運(yùn)動(dòng)靠液壓缸來實(shí)現(xiàn)。電氣驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)相結(jié)合，使得整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊，成本低廉，操作方便等優(yōu)點(diǎn)，適合于小型夾持式機(jī)械手。4.2 機(jī)械手液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是整機(jī)設(shè)計(jì)的一部分，在目前液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要還是經(jīng)驗(yàn)法，即使使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，也是在專家的經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)先進(jìn)行的。對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，必須明確液壓系統(tǒng)的動(dòng)作和性能要求，例如，執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)方式、行程范圍、負(fù)載條件、運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度、工作循環(huán)和動(dòng)作周期、工作可靠性要求等。同時(shí)還要考慮到液壓系統(tǒng)的工作環(huán)境。所以應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況和具體設(shè)計(jì)要求來對液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。4.2.1 夾緊缸的設(shè)計(jì)1、計(jì)算液壓缸的總機(jī)械載荷根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況，總機(jī)械載荷（4.1）bsypF??式中 —工作載荷，已知為 653N；pF—密封阻力；sy—回油背壓形成的阻力。b（1） 的計(jì)算syF= （N） （4.2）syF1APf??黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 18 頁 式中 —克服液壓缸密封件摩擦阻力所需空載壓力（ ） ，液壓缸選 O 型密封圈，fP? aP設(shè)液壓缸工作壓力 <16 ，由相關(guān)設(shè)計(jì)手冊查得 <0.3 ，取paMPf?aMP=0.1 ；faP—進(jìn)油工作腔有效作用面積（ ） ，此值屬未定數(shù)值，初估為 2 。1A2mcm啟動(dòng)時(shí) =syF)(0.0.6N??運(yùn)動(dòng)時(shí) =s 1%52（2） 的計(jì)算b回油背壓形成的阻力按下式計(jì)算= （4.3）bF2AP?式中 —回油背壓，一般為 ~ ，取 = ；bPaM3.05.bPaM3.0—無桿腔活塞面積，考慮兩邊差動(dòng)比為 2，已經(jīng)初估 =22A 1A2cm=4 。2cm各值代入上式= =bF2AP? )12004.36N（??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=653+10+120=783（N）bsyp??2、確定液壓缸的主要尺寸和工作壓力按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)工作壓力。工作壓力（4.4）aMPp1?液壓缸工作腔有效工作面積2261 8.7)(0783.0.783cmpFA ???黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 19 頁 因差動(dòng)比為 1：2，所以 =2 =15.62A12cm活塞直徑D= m6.4)(.6542 ????活塞桿直徑 Dd231647.0計(jì)算所得的液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列，根據(jù)[8]《液壓傳動(dòng)與控制》[M] 表 5-3 及表 5-4，取標(biāo)準(zhǔn)直徑 ，則工作壓力mDd5,?)(7.201625.(47831 aMPp????取 。aMPp7.21?在確定液壓缸活塞面積 之后，還要按最低進(jìn)給速度驗(yàn)算液壓缸尺寸。設(shè)液壓缸1A有效工作面積為 ，則1（4.5）1)(2mincvq?式中 —流量閥最小穩(wěn)定流量，取調(diào)速閥最小穩(wěn)定流量 40mL/min；minq—活塞最低進(jìn)給速度，本設(shè)計(jì)取 20mm/min；iv—液壓缸有效工作面積。1A根據(jù)上面計(jì)算值，得=1 )(90.2)6.152(4)4 22 cmdD???????（又 ，所以(0.2mincvq?1A)(2mincvq?說明液壓缸尺寸滿足活塞最小穩(wěn)定速度要求。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 20 頁 3、 液壓缸活塞寬度 B 的確定對于一般的液壓缸，活塞寬度B=（0.6~1.0）D （4.6）根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，取 B=0.6D=0.6 25=15mm?4、 活塞缸缸體壁厚 的確定?液壓缸的壁厚可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來確定。本設(shè)計(jì)取 =3mm?5、 液壓缸行程 的確定l液壓缸的行程 見參考文獻(xiàn)[8]《液壓傳動(dòng)與控制》[M] 表 5-5 活塞行程系列。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，選 。ml15?6、 液壓缸的長度 L 的確定按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合液壓缸的其它尺寸，取液壓缸的長度 L=92 。m7、 活塞桿長度的確定活塞桿直徑 確定之后，還需根據(jù)液壓缸的長度確定活塞桿長度。d8、 液壓缸的安裝方式國際標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定了單桿液壓缸的安裝方式，本次設(shè)計(jì)采用加長拉桿穿過安裝板ISO的安裝方式進(jìn)行安裝。9、 液壓缸的強(qiáng)度和剛度校核（1） 缸筒壁厚 的校核?由于工作壓力不高，缸體內(nèi)徑也不大，所以不必進(jìn)行強(qiáng)度校核。（2） 液壓缸缸蓋固定螺栓直徑校核液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中，同時(shí)承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，根據(jù)液壓缸結(jié)構(gòu)取螺栓直徑 ，其螺栓直徑可按下式校核md41?（4.7）??????KFd2.51式中 K— 螺栓擰緊系數(shù)，取 K=1.5；F—液壓缸最大作用力，前面已經(jīng)計(jì)算得知 F=783N；Z—螺栓個(gè)數(shù)，Z=4 ；黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 21 頁 [ ]—螺栓材料的許用應(yīng)力，[ ] = ， 螺栓材料的屈服極限；取螺栓材料??nss為 ，查 《材料力學(xué)》 表 2.1，即如下表 4.1，得 = ， 為安Cr20 s?aMP540n全系數(shù)，一般取 = ，此處取 。n5.2~10.2?將以上數(shù)值代入公式成立61 105478364????md m23)(13?滿足要求。 表 4.1 幾種常用材料的主要力學(xué)性能材料名稱 牌號 )/(saMP?)/(abP?%/s?普通碳素鋼Q235Q235216~235255~275373~461490~60825~2719~21優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼40453333535695981916普通合金結(jié)構(gòu)鋼Q345Q390274~343333~412471~510490~54919~2117~19合金結(jié)構(gòu)鋼20 rC40 r540785835980109碳素鑄鋼 ZG170-500 270 500 18可鍛鑄鐵 KTZ450-06 450 6( )3?球墨鑄鐵 QT450-10 450 10( )灰鑄鐵 HT150 120~175（3） 活塞桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核活塞桿直徑 可按下式校核強(qiáng)度d（4.8）][4??Fd?黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 22 頁 式中 —活塞桿材料的許用應(yīng)力， ， 為材料抗拉強(qiáng)度，取活塞桿材][?][?nb/?b料為 鋼，由表 4.1 得 ； 為安全系數(shù)，一般取 1.4。45baMP598F—活塞桿所受負(fù)載；將以上數(shù)值代入公式成立mmd 34.21034.2105987341036????????滿足要求。4.2.2 手臂俯仰液壓缸設(shè)計(jì)1、 確定液壓缸的牽引力 F根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況，液壓缸受力如圖 10 所示。牽引力（4.9）??321XG???圖 4.1 液壓缸受力分析示意圖其中 —支撐點(diǎn)左端機(jī)械手手臂的重力；1G—支撐點(diǎn)右端配重塊的重力；2黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 23 頁 —支點(diǎn)支撐力。1F據(jù)手臂材料和結(jié)構(gòu)尺寸估算其重量，然后在手臂尾部加配重塊，則手臂在支點(diǎn)支撐作用下基本上保持平衡狀態(tài)，因此只需較小的牽引力就能滿足設(shè)計(jì)要求。取 F=200 。N2、去定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸和工作壓力按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定系統(tǒng)工作壓力。工作壓力aMPp21?液壓缸工作腔有效工作面積2261 0.1)(0..2cmpFA???活塞直徑D= c7.12)(.41???因差動(dòng)比為 1：2，所以活塞桿直徑mDd9.87.0.?計(jì)算所得的液壓缸內(nèi)徑和活塞桿直徑應(yīng)圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列，根據(jù)《液壓傳動(dòng)與控制》表 5-3、表 5-4，取標(biāo)準(zhǔn)直徑 ，則工作壓力16,?)(9.0.421 aMPp???取 。aMPp0.1?3、 液壓缸活塞寬度 B 的確定對于一般的液壓缸，活塞寬度由式（4.6）B=（0.6~1.0）D根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，取 B=0.6D=0.6 16=9.6mm?4、 活塞缸缸體壁厚 的確定?液壓缸的壁厚可根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來確定。本設(shè)計(jì)取 = 。?m3黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 24 頁 5、 液壓缸行程 的確定l液壓缸的行程 見[8]《液壓傳動(dòng)與控制 》[M] 表 5-5 活塞行程系列。根據(jù)設(shè)計(jì)l需要，選 。ml50?6、 液壓缸的長度 L 的確定按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)并結(jié)合液壓缸的其它尺寸，取液壓缸的長度 L=70 。m7、 活塞桿長度的確定活塞桿直徑 確定之后，還需根據(jù)液壓缸的長度確定活塞桿長度。d8、 液壓缸的強(qiáng)度和剛度校核（1） 缸筒壁厚 的校核?由于工作壓力不高，缸體內(nèi)徑也不大，所以不必進(jìn)行強(qiáng)度校核。（2） 液壓缸缸蓋固定螺栓直徑校核液壓缸缸蓋固定螺栓在工作過程中，同時(shí)承受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，根據(jù)液壓缸結(jié)構(gòu)取螺栓直徑 ，其螺栓直徑可按式（4.7）校核md31???????KFd6.15式中 K— 螺栓擰緊系數(shù)，取 K=1.5；F—液壓缸最大作用力，前面已經(jīng)計(jì)算得知 F=200N；Z—螺栓個(gè)數(shù)，Z=4 ；[ ]—螺栓材料的許用應(yīng)力，[ ] = ， 螺栓材料的屈服極限；取螺栓材料??nss為 ，查表 4.1 得 = ， 為安全系數(shù)，一般取 = ，Cr20saMP540n5.2~1此處取 。5.?n將以上數(shù)值代入公式成61 1054.2613???md m72.1)(073????立滿足要求。（3） 活塞桿強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 25 頁 活塞桿直徑 可按式（4.8 ）校核強(qiáng)度d][4??Fd?式中 —活塞桿材料的許用應(yīng)力， ， 為材料抗拉強(qiáng)度，取活塞桿材][?nb/?b料為 鋼，由表 4.1 查得 ； 為安全系數(shù)，一般取 。45aMP5984.1F—活塞桿所受負(fù)載；將以上數(shù)值代入公式成立mmd 5.0)(15.0598421036????????滿足要求。4.3 液壓系統(tǒng)原理圖的擬定4.3.1 夾緊系統(tǒng)原理圖的擬定如圖 4.2 所示，此夾緊過程通過液壓缸直接驅(qū)動(dòng)。當(dāng)電磁鐵 1DT 得電時(shí)，壓力油通過換向閥左位進(jìn)入液壓缸有桿腔，液壓缸將驅(qū)動(dòng)末端執(zhí)行器對工件進(jìn)行夾緊，當(dāng)電磁鐵 1DT 失電，而電磁鐵 2DT 得電時(shí)，壓力油通過換向閥右位進(jìn)入無桿腔，驅(qū)動(dòng)液壓缸松開工件。圖 4.2 夾緊系統(tǒng)原理圖4.3.2 俯仰系統(tǒng)原理圖的擬定黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 26 頁 如圖 4.3 所示，當(dāng)電磁鐵 3DT 得電時(shí)，壓力油通過換向閥左位進(jìn)入液壓缸無桿腔，液壓缸將驅(qū)動(dòng)手臂仰起，當(dāng)電磁鐵 3DT 失電，而電磁鐵 4DT 得電時(shí)，壓力油通過換向閥右位進(jìn)入無桿腔，液壓缸將驅(qū)動(dòng)手臂俯下。圖 4.3 俯仰系統(tǒng)原理圖4.3.3 系統(tǒng)合成如圖 4.4 所示，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)部分由壓力油直接驅(qū)動(dòng)。油泵采用限壓式變量葉片泵。系統(tǒng)的工作壓力用溢流閥來調(diào)節(jié)，各油缸的運(yùn)動(dòng)速度用節(jié)流閥來調(diào)節(jié)。機(jī)械手夾緊運(yùn)動(dòng)和手臂俯仰運(yùn)動(dòng)，采用適時(shí)切換油路節(jié)流減速緩沖。各電磁換向閥電磁鐵動(dòng)作情況如表 4.2 所示。表 4.2 電磁換向閥電磁鐵動(dòng)作情況分析表電磁鐵序號動(dòng)作名稱 1DT 2DT 3DT 4DT 5DT 6DT 7DT機(jī)械手夾緊工件 - - - - + - -機(jī)械手松開工件 - - - - - + -機(jī)械手夾緊工件節(jié)流緩沖 - + - - + - -機(jī)械手松開工件節(jié)流緩沖 - + - - - + -機(jī)械手手臂仰起 - - + - - -機(jī)械手手臂下俯 - - - + - - -黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 27 頁 機(jī)械手手臂仰起節(jié)流緩沖 + - + - - - -機(jī)械手手臂俯下節(jié)流緩沖 + - - + - - -液壓系統(tǒng)卸荷 - - - - - - +圖 4.4 系統(tǒng)合成原理圖4.4 液壓泵的計(jì)算1、確定液壓泵的實(shí)際工作壓力 p（4.10）????11式中 —前以選定為 ；1pMPa7.2—對于進(jìn)油路采用調(diào)速閥的系統(tǒng)， 可估為（0.5~1.5） ，取??1pMPa0.5 。因此，可確定液壓泵的實(shí)際工作壓力MPap2.3507.2??黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 28 頁 5 機(jī)械手軌跡規(guī)劃機(jī)械手在作業(yè)空間要完成給定的任務(wù)，其手部運(yùn)動(dòng)必須按一定的軌跡進(jìn)行。軌跡的生成一般是先給定軌跡上的若干個(gè)點(diǎn)，將其經(jīng)運(yùn)動(dòng)學(xué)反解映射到關(guān)節(jié)空間，對關(guān)節(jié)空間中的相應(yīng)點(diǎn)建立運(yùn)動(dòng)方程，然后按這些運(yùn)動(dòng)方程對關(guān)節(jié)進(jìn)行插值，從而實(shí)現(xiàn)作業(yè)空間的運(yùn)動(dòng)要求，這一過程通常稱為軌跡規(guī)劃。運(yùn)動(dòng)軌跡的描述一般是對其手部位姿的描述，此位姿值可與關(guān)節(jié)變量相互轉(zhuǎn)換。下面將對機(jī)械手的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行軌跡規(guī)劃。由于步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為 0.42N· ，由圖表 1 查得電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 ，脈mmin/30r?沖速度為 ，即 250 次/秒。則機(jī)械手手部實(shí)現(xiàn)翻轉(zhuǎn)所需要的時(shí)間 為kHz25.0 ftft???72.0518s根據(jù)需要，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)必須運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，并具有如下作業(yè)狀態(tài)：初始時(shí)，關(guān)節(jié)靜止不動(dòng)，位置 ；運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí) ，此時(shí)關(guān)節(jié)速度為 。根據(jù)要求，可以對回轉(zhuǎn)??0??18f?0關(guān)節(jié)采用三次多項(xiàng)式插值函數(shù)來規(guī)劃其運(yùn)動(dòng)。已知 ， ， =1 ，代入????18ffts《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》 式（3.8） ，即如下式??4??012f03fatat??????????（4.11）可得三次多項(xiàng)式的系數(shù)a0=0.0，a 1=0.0，a 2=540，a 3=–360由《機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)》式（3.5）和式（3.6）??2301ttt??? （4.12）黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 29 頁 ??2136tat????????（4.13）可確定回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，即??32054ttt?218?????tt6對于手指夾緊運(yùn)動(dòng)和手臂俯仰運(yùn)動(dòng)的軌跡規(guī)劃和手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的計(jì)算過程是相似的，不再一一進(jìn)行討論，從略。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 30 頁 結(jié)論本文結(jié)合目前國內(nèi)外機(jī)械手的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，具體闡述了一種小型夾持式機(jī)械手的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程。理論和實(shí)踐證明，本課題所研制的小型夾持式機(jī)械手系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能要求。本人在課題研究過程中獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和一定的研究經(jīng)驗(yàn)，為夾持式機(jī)械手的產(chǎn)品化提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)數(shù)據(jù)。論文的主要工作如下：1、進(jìn)行了小型夾持式機(jī)械手總體方案設(shè)計(jì)。2、進(jìn)行了小型夾持式機(jī)械手機(jī)構(gòu)的機(jī)械本體設(shè)計(jì)。3、進(jìn)行了機(jī)械手的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)了機(jī)械手姿態(tài)控制的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，擬定了液壓控制系統(tǒng)原理圖。4、進(jìn)行了機(jī)械手的軌跡規(guī)劃。主要對機(jī)械手回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了規(guī)劃。建立機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的軌跡方程。5、運(yùn)用 Solidworks 三維軟件建立了機(jī)械手結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了虛擬裝配，結(jié)果證明所設(shè)計(jì)的機(jī)械手結(jié)構(gòu)合理，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的動(dòng)作要求。本次設(shè)計(jì)的小型夾持式機(jī)械手及手臂結(jié)構(gòu)合理，布局比較完善，各項(xiàng)性能指標(biāo)也達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。但是還有不足和尚需完善之處：1、為了提高機(jī)械手的定位精度和響應(yīng)速度，還需要增加傳感器控制系統(tǒng)。2、隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，適當(dāng)引入反饋控制技術(shù)，以便適時(shí)的監(jiān)控外界環(huán)境的變化，以求達(dá)到更好的適應(yīng)能力。3、為了使機(jī)械手的動(dòng)作更加靈活，應(yīng)適當(dāng)增加機(jī)械手的自由度，使機(jī)械手能進(jìn)行空間復(fù)雜曲線的作業(yè)。小型夾持式機(jī)械手的研制已經(jīng)取得了階段性成果，還需要進(jìn)一步的發(fā)展和完善，使之逐步產(chǎn)業(yè)化。黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 31 頁 致謝 本論文是在楊漢嵩講師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)下完成的，恩師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識、誨人不倦的精神給學(xué)生留下了深刻的印象，使學(xué)生終身受益。籍此論文完成之際，謹(jǐn)向恩師致以最崇高的敬意和最由衷的感謝！感謝我的師兄、師弟們，他們在方方面面都給了我許多關(guān)心幫助，使得我在這里的學(xué)習(xí)生活充滿了樂趣。這期間和他們結(jié)下的深厚誼將是我今后的人生中一筆豐厚的財(cái)富，無論何時(shí)何地都不會(huì)忘記!感謝所有幫助過我的老師、同學(xué)和朋友！感謝對論文進(jìn)行評審、提出寶貴意見的各位專家！感謝我的母校為我們提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)環(huán)境！最后，我要對我的父母表示深深的感謝，感謝他們的養(yǎng)育和教導(dǎo)，感謝他們長期的支持和鼓勵(lì)以及他們給予我的無私的愛！黃 河 科 技 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說 明 書 第 32 頁 參考文獻(xiàn)[1] 劉鴻文. 材料力學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，1997：27.[2] 曹玉平. 液壓傳動(dòng)與控制[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，2003：85-89.[3] 濮良貴，紀(jì)名剛 .機(jī)械設(shè)計(jì)[M]. 北京：高等教育出版社，2001：300-344.[4] 劉極峰. 機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：高等教育出版社，2006：1-130，148-165.[5] 朱冬梅，胥北瀾. 畫法幾何及機(jī)械制圖 [M]. 北京：高等教育出版社，2000：1-245.[6] 左建民. 液壓與氣壓傳動(dòng)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005：77-159.[7] 盧光賢.機(jī)床液壓傳動(dòng)與控制[M]. 西安：西安工業(yè)大學(xué)出版社，2006：72-79.[8] 沈光全，吳秀玲 .液壓傳動(dòng)與控制[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2005：93-100.[9] 吳宗澤，羅圣國. 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