關(guān)節(jié)型機械手設(shè)計【四自由度 圓柱坐標(biāo)式液壓驅(qū)動】【CAD圖紙和文檔終稿可編輯】

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由于機械手在工業(yè)自動化和信息化中發(fā)揮了以上巨大的作用，世界各國都很重視工業(yè)機械手的應(yīng)用和發(fā)展，機械手的應(yīng)用在我過還屬于起步階段，就顯示出了許多的無法替代的優(yōu)點，展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。近十幾年來，機械手的開發(fā)不僅越來越優(yōu)化，而且涵蓋了許多領(lǐng)域，應(yīng)用的范疇十分廣闊。 1.2 本課題研究內(nèi)容 要求本設(shè)計能較鮮明地體現(xiàn)機電一體化的設(shè)計構(gòu)思。所謂機電一體化，是機械工程技術(shù)吸收微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)、傳感技術(shù)等而形成的一種新的綜合集成技術(shù)。盡管機電一體化的產(chǎn)品名目繁多，并由于它們的功能不同而有不同的形式和復(fù)雜程度，但做功的機械本體部分（包括動力裝置）和微點自控制部分（包括信息處理）是最基本的、必不可少的要素。 本設(shè)計要求完成以下工作： 1、 擬定整體方案，特別是控制方式與機械本體的有機結(jié)合的設(shè)計方案。 2、 根據(jù)給定的自由度和技術(shù)參數(shù)選擇合適的手部、腕部和臂部的結(jié)構(gòu)。 3、 各部件的設(shè)計計算。 4、 機械手工作裝配圖的設(shè)計與繪制。 5、 液壓系統(tǒng)圖的設(shè)計與繪制。 6、 編寫設(shè)計計算說明書。 2 機械手的總體設(shè)計 2.1 工業(yè)機械手的組成 工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)所組成的，各部關(guān)系如圖2.1所示。 圖2.1 機械手的組成 2.1.1 執(zhí)行機構(gòu) 1.手部 即直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型(為回轉(zhuǎn)型，因其結(jié)構(gòu)簡單）。手爪多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可用負壓式或真空式的空氣吸盤（它主要用于吸取冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤。 傳力機構(gòu)型式較多，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。 2.腕部 是連接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓物體的方位（即姿態(tài)）。它可以有上下擺動，左右擺動和繞自身軸線的回轉(zhuǎn)三個運動。如有特殊要求（將軸類零件放在頂尖上，將筒類、盤類零件卡在卡盤上等），手腕還可以有一個小距離的橫移。也有的工業(yè)機械手沒有腕部自由度。 3.臂部 手臂是支承被抓物、手部、腕部的重要部件。手部的作用是帶動手指去抓取物體，并按預(yù)定要求將其搬到預(yù)定的位置。手臂有三個自由度，可采用直角坐標(biāo)（前后、上下、左右都是直線）,圓柱坐標(biāo)（前后、上下直線往復(fù)運動和左右旋轉(zhuǎn)），球坐標(biāo)（前后伸縮、上下擺動和左右旋轉(zhuǎn)）和多關(guān)節(jié)（手臂能任意伸屈）四種方式。 直角坐標(biāo)占空間大，工作范圍小，慣性大，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、剛度高，在自由度較少時使用。圓柱坐標(biāo)占空間較小，工作范圍較大，但慣性也大，且不能抓取底面物體。球坐標(biāo)式和多關(guān)節(jié)式占用空間小，工作范圍大，慣性小，所需動力小，能抓取底面物體，多關(guān)節(jié)還可以繞障礙物選擇途徑，但多關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以也不常用。 2.1.2 驅(qū)動機構(gòu) 有氣動、液動、電動和機械式四種形式。氣動式速度快，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。采用點位控制或機械擋塊定位時，有較高的重復(fù)定位精度，但臂力一般在300N以下。液動式的出力大，臂力可達 1000N 以上，且可用電液伺服機構(gòu)，可實現(xiàn)連續(xù)控制，使工業(yè)機械手的用途和通用性更廣，定位精度一般在 1mm 范圍內(nèi)。目前常用的是氣動和液動驅(qū)動方式。電動式用于小型，機械式只用于動作簡單的場合。 2.1.3 控制系統(tǒng) 有點動控制和連續(xù)控制兩種方式。大多數(shù)用插銷板進行點位程序控制，也有采用可編程序控制器控制、微型計算機數(shù)字控制，采用凸輪、磁帶磁盤、穿孔卡等記錄程序。主要控制的是坐標(biāo)位置，并注意其加速度特征。 2.2 關(guān)節(jié)型機械手的主要技術(shù)參數(shù) 1.抓重： 300N 2.自由度： 4個 3.坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) 4.手臂運動參數(shù) 運動名稱 符號 行程范圍 速度 伸縮 X 400mm 小于250mm/s 升 降 Z 300mm 小于70mm/s 回轉(zhuǎn) ψ 0°~210° 小于90 (°)/s 5.手腕參數(shù) 運動名稱 符號 行程范圍 速度 回轉(zhuǎn) ω 0°~180° 小于90 (°)/s 6.手指夾持范圍：棒料，直徑50~70mm，長度450~1200mm 7.定位方式：電位器設(shè)定，點位控制 8.驅(qū)動方式：液壓（中、低壓系統(tǒng)） 9.定位精度：±3mm 10.控制方式：可編程控制 2.3 圓柱坐標(biāo)式機械手運動簡圖 經(jīng)過考慮，本設(shè)計的機械手設(shè)計成如下簡圖形式： 圖2.2 圓柱坐標(biāo)式機械手 3 關(guān)節(jié)型機械手機械系統(tǒng)設(shè)計 3.1 手部 手部（亦稱抓取機構(gòu)）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面狀況等的不同，所以工業(yè)機械手的手部結(jié)構(gòu)多種多樣，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而定的。歸結(jié)起來，常用的手部，按其握持工件的原理，大致可分成夾持和吸附兩大類。 根據(jù)設(shè)計要求，這里只討論夾鉗式的手部結(jié)構(gòu)。 夾鉗式手部是由手指、傳動機構(gòu)和驅(qū)動裝置三部分組成的，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸、盤、套類零件。一般情況下，多采用兩個手指。驅(qū)動裝置為傳動機構(gòu)提供動力，驅(qū)動源有液壓的、氣動的和電動的等幾種形式。常見的傳動機構(gòu)往往通過滑槽、斜楔、齒輪齒條、連桿機構(gòu)實現(xiàn)夾緊或放松。 平移型手指的張開閉合靠手指的平行移動，適于夾持平板、方料。在夾持直徑不同的圓棒時，不會引起中心位置的偏移。但這種手指結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、體積大，要求加工精度高。根據(jù)設(shè)計要求，工件是圓盤，所以采用回轉(zhuǎn)型手指，其張開和閉合靠手指根部（以樞軸支點為中心）的回轉(zhuǎn)運動來完成。樞軸支點為一個的，稱為單支點回轉(zhuǎn)型；為兩個支點的，稱為雙支點回轉(zhuǎn)型。這種手指結(jié)構(gòu)簡單，形狀小巧，但夾持不同工件會產(chǎn)生夾持定位誤差。 本設(shè)計要求抓取棒料，故采用夾鉗式手部。 3.1.1 夾緊力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是計算手部的主要依據(jù)。必須對其大小、方向和作用力進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以及工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按下式計算： F≥K1K2K3G 式中K——安全系數(shù)，通常取1.2~2.0; K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。K2可近似按下式估算 K2=1+ 其中a—運載工件時重力方向的最大上升速度； g—重力加速度，g ≈ 9.8m/s; a= ——運載工件時重力方向的最大上升速度； t——系統(tǒng)達到最高速度的時間；根據(jù)設(shè)計參數(shù)選取。一般取0.03~0.5s。 K——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行選定。 G—被抓工件所受重力（N）。 3.1.2夾緊缸驅(qū)動力計算 如圖是液壓夾緊裝置。手爪殼和缸殼連成一體，當(dāng)壓力油從液壓缸右邊油管進油時，活塞桿向左移動，推動手爪閉合；當(dāng)壓力油從液壓缸左邊進油時，拉動手爪張開。 缸的拉力（或推力）（N）為： 式中 D—活塞直徑（）; ——活塞桿直徑（）; ——驅(qū)動壓力（）。 圖3.1 液壓缸驅(qū)動裝置 3.1.3 兩支點回轉(zhuǎn)型手指的夾持誤差分析與計算 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手定位精度（由臂部和腕部等運動部件確定），而且也與手指的夾持誤差有關(guān)。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應(yīng)工件尺寸在一定范圍內(nèi)變化，避免差生手指夾持的定位誤差，必須選用合理的手部機構(gòu)參數(shù)，從而使夾持誤差控制在較小的范圍內(nèi)。 圖3.2 兩支點回轉(zhuǎn)型手指 若把工件軸心位置C到手爪兩支點連線的垂直距離CD以X表示，根據(jù)幾何關(guān)系有： X=lAB2+(Rsinθ)2-2lABRsinθcosβ-a2 對于兩支點回轉(zhuǎn)型手爪（尤其當(dāng)a值較大時），偏轉(zhuǎn)角β的大小不易按夾持誤差最小的條件確定，主要考慮這樣極易出現(xiàn)在抓取半徑較小時，兩手爪的BE和B′E′邊平行，抓不著工件。為了避免上述情況，通常按手爪抓取工件的平均半徑Rcp，以∠BCD=90°為條件確定兩支點回轉(zhuǎn)型手爪的偏轉(zhuǎn)角，即β為： β=cos-1（Rcpsinθ－a）1lAB 工件平均半徑 Rcp=50+704=30mm 取手指lAB為2倍的工件平均半徑 lAB=2Rcp=2×30mm=60mm 取V型夾鉗的夾角2θ=120°，取a=12mm 則β=cos-1（Rcpsinθ－a）1lAB=cos-1（30sin60°-12）160=67.83° 計算 R0=lABsinθcosβ=60×sin?60°cos67.83°=19.61mm Δ=|lAB2+Rmaxsinθ2-2lABRmaxsinθcosβ-a2-lAB2+Rminsinθ2-2lABRminsinθcosβ-a2| =|602+(35sin60°)2-2×6035sin60°cos67.83°-122- 602+(25sin60°)2-2×6025sin60°cos67.83°-122| =|57.09-54.60| =2.49mm 因為題目要求定位精度為±3mm,所以設(shè)計滿足要求。 設(shè)計結(jié)果： a=12mm lAB=60mm 2θ=120° β=67.83° X=lAB2+(Rsinθ)2-2lABRsinθcosβ-a2 =602+(30sin60°)2-2×6030sin60°cos67.83°-122=55.56mm 3.1.4 緊缸的計算 1、設(shè)K1=1.5，K3=1.05，工件垂直方向的移動速度為0.07ms，機械手達到最高速度的響應(yīng)時間為0.5S，α=45°，則 K2=1+ ag=1+ 0.070.59.8=1.01 FN=K1K2K3G=1.5×1.01×1.05×3=477.23N 2、驅(qū)動力計算 F計算=2bacos2αFN =2×55.5612cos245°×477.23 =2209.57N 3、取η=0.85 F實際=F計算η=2209.570.85=2599.49N 4、確定液壓缸直徑D ∵ F實際=π4D2-d2p 選取活塞桿直徑d=0.5D，壓力油工作壓力p=30×105Pa ∴D=4F實際πp(1-0.52)=4×2599.49π×30×105×0.75=0.038m 根據(jù)液壓缸內(nèi)徑系列（JB1086—67）選取液壓缸內(nèi)徑為：D=40mm 則活塞桿直徑為： d=40×0.5=20mm 3.2 腕部 手腕部件設(shè)置于手部和臂部之間，它的作用主要是再臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變得更靈巧，適應(yīng)性更強。 手腕部件具有獨立的自由度。一般手腕設(shè)有回轉(zhuǎn)運動或再增加一個上下擺動即可滿足工作要求。目前，應(yīng)用最廣泛的手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸，它的結(jié)構(gòu)緊湊，靈巧但回轉(zhuǎn)角度較?。ㄒ话阈∮?270o），并且要求嚴格密封，否則就很難保證穩(wěn)定的輸出扭矩。因此，在要求較大或轉(zhuǎn)角的情況下，采用齒條齒輪傳動或鏈輪以及輪系結(jié)構(gòu)。 3.2.1 腕部設(shè)計的基本要求 1、力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕 腕部處于臂部的最前端，它連同手部的精、動載荷均由臂部承受。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 2、綜合考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，有承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運動的要求以及具有足夠的強度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局。如應(yīng)解決好腕部與臂部和手部的連接，腕部各個自由度的位置檢測，管線布置，以及潤滑、維修、調(diào)整等問題。 3、必須考慮工條件 對于高溫作業(yè)和腐蝕性介質(zhì)中工作的機械手，其腕部在設(shè)計是應(yīng)充分估計環(huán)境對腕部的不良影響（如熱膨脹、壓力油的粘度惡化燃點，有關(guān)材料及電控元件的耐熱性等）。根據(jù)以上幾點，結(jié)合設(shè)計要求，設(shè)計出腕部的結(jié)構(gòu)如圖 3-2。其為典型腕部結(jié)構(gòu)中具有一個自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。直接用回轉(zhuǎn)液壓（氣）缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運動，因具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣泛采用。 圖3.3用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)腕部旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu) 1——回轉(zhuǎn)液壓缸 2——手爪驅(qū)動液壓缸 3——左進油管 4——手部油管 5——右進油管 6——固定葉片 7——回轉(zhuǎn)軸 8——回轉(zhuǎn)葉片 9——缸體 圖3.3所示的為腕部結(jié)構(gòu)，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸，實現(xiàn)腕部的旋轉(zhuǎn)運動。從 B-B剖視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡稱動片）用螺釘、銷釘和轉(zhuǎn)軸 7 連接在一起，定片 6則和缸體 9 連接。壓力油分別由油孔 3、5 進出油腔，實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動片、定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于 270°），圖示液壓缸可以回轉(zhuǎn)±90°。 圖示手部的開閉動作采用單作用液壓缸，只需一個油管。通向手部驅(qū)動液壓缸的油管是從回轉(zhuǎn)缸壁通過，然后通過一個環(huán)槽結(jié)構(gòu)包圍手部夾緊缸，腕部回轉(zhuǎn)時，不論在哪個方位油路仍可保證暢通，這種布置可使油管既不外露，又不受扭轉(zhuǎn)。腕部用來和臂部連接，三根油管（一根供手部油管，兩根供腕部回轉(zhuǎn)液壓缸）由手臂內(nèi)通過并經(jīng)腕部回轉(zhuǎn)缸壁分別進入回轉(zhuǎn)液壓缸和手部驅(qū)動液壓缸。 3.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服以下幾種阻力。 1、腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 M摩 一般為了簡化計算，取M摩=0.1M總阻力矩 2、克服由于工件重心偏置所需的力矩M偏 M偏=G1e 式中 e——工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）。 3、克服啟動慣性所需的力矩M慣 啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角速度ω及啟動所用時間t啟，按下式計算 M慣=(J+J工件)ωt啟 或者根據(jù)腕部角速度 ω 及啟動過程轉(zhuǎn)過的角度φ啟按下式： M慣=(J+J工件)ω22φ啟 式中 J工件 ——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（N?m?s2）； J ——手腕回轉(zhuǎn)部分對腕部回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（N?m?s2）； ω ——手腕回轉(zhuǎn)過程的角速度（1/s）； t啟 ——啟動過程中所需時間（s），一般取 0.05-0.3s； φ啟 ——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）。 手腕回轉(zhuǎn)所需的驅(qū)動力矩相當(dāng)于上述三項之和。 M總=M摩+M偏+M慣 如果手腕回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量（ J+J工件）不是很大時，手腕啟動過程所產(chǎn)生的慣性力矩也不大，為了簡化計算可以將計算力矩M摩、M偏適當(dāng)放大，而省略掉M偏 ，這時 M總=1.1(M摩+M偏) 具體計算過程如下 設(shè)：（1）手爪、手爪驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸轉(zhuǎn)動件為一個等效圓柱體，高為30cm,直徑為20cm,其所受重力為G=400N。 （2）摩擦阻力矩M摩=0.1M總 （3）啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度φ啟=15°=0.262rad, 等速轉(zhuǎn)動角速度ω=90°s-1=1.571s-1 求 M慣=(J+J工件)ω22φ啟 J=12mR2= 12×4009.8×0.12=0.204 N?m?s2 J工件=112m(l2+3R2)=112×3009.8×(1.22+3×0.32)=4.362 N?m?s2 代入 M慣=0.204+4.3621.57122×0.262=21.506N?m?s2 M摩=0.1M總 M總=0.1M總+M慣=0.1M總+21.506 M總=21.5060.9=23.896 N?m 3.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計計算 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力距，為了使該機械手具有更好的通用性，以及與相應(yīng)的機構(gòu)尺寸相吻合，設(shè)回轉(zhuǎn)的基本尺寸如下： 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D=40mm 輸出軸與動片連接處的直徑d=10mm 動片寬度b=45mm 回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力p=3MPa ∴ M驅(qū)=pb(R2-r2)2=3×106×0.015(0.0202-0.0052)2=25.31N?m 因為M驅(qū)>M總，所以是符合要求的。 3.3 臂部 手臂部件是機械手的主要握持部件。它的作用是支承腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。 臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。 臂部的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)（如液壓缸或氣缸）和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的靜、動載荷，而且自身運動又較多，故受力復(fù)雜。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機械手的工作性能。 由本機械手的總體設(shè)計可知該臂部分三部分：回轉(zhuǎn)缸、伸縮缸和俯仰擺動液壓缸。回轉(zhuǎn)缸實現(xiàn)的是手臂旋轉(zhuǎn)，伸縮缸實現(xiàn)的是手臂升降，俯仰缸實現(xiàn)的是手臂的俯仰。 3.3.1 手臂伸縮液壓缸 3.3.1.1 伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 經(jīng)過整體考慮，手臂作直線運動的部分設(shè)計為雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機構(gòu)，其圖如下： 圖3.4 雙導(dǎo)向桿手臂伸縮機構(gòu) 1——缸蓋 2——導(dǎo)向桿 3——活塞 4——缸體 5——活塞桿 6——導(dǎo)向套 從圖中可較清楚地看到手臂伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)；導(dǎo)向桿 2 在導(dǎo)向套內(nèi)移動，以防手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（小臂回轉(zhuǎn)，手腕回轉(zhuǎn)和手爪夾緊液壓缸用的輸油管道安裝在其內(nèi)）。 由于手臂的伸縮缸安裝在兩根導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向管承受彎曲作用，活塞桿只受軸向的拉力和壓力，故大大減少了活塞桿的受力，使傳動平穩(wěn)。 3.3.1.2 手臂伸縮液壓缸的設(shè)計計算 3.3.1.2.1作水平伸縮直線運動液壓缸的驅(qū)動力 F=F慣+F摩+F密+F回 式中 F摩——摩擦阻力。手臂運動時，為運動件表面的摩擦阻力。若是導(dǎo)向裝置，則為活塞和缸壁等處的摩擦阻力。 F密——密封裝置處的摩擦阻力。 F回——液壓缸回油腔低壓油液所造成的阻力。 F慣——啟動或制動時，活塞桿所受平均慣性力。 1）F摩的計算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進行估算。 圖3.5 水平移動液壓缸受力圖 圖3.5為雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，其導(dǎo)向桿截面形狀為圓柱面，導(dǎo)向桿對稱配置在伸縮缸的兩側(cè)，啟動時，導(dǎo)向裝置的摩擦阻力較大，計算如下： 由于導(dǎo)向桿對稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個導(dǎo)向桿計算。 MA=0 G總L=aFRb 得 FRb=G總La Y=0 G總+FRb=FRa 得 FRa=G總(L+aa) F摩=Fa摩+Fb摩=μ'FRa+μ'FRb ∴F摩=μ'G總(2L+aa) 式中 G總——參與運動的零部件所受的總重力（含工作重力）（N）； L——手臂參與運動的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支承前端的距離（m）; a——導(dǎo)向支承的長度（m）； μ'——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支承的截面形狀有關(guān)。 對于圓柱面： μ'=（4π~π2）×μ=（1.27~1.57）μ μ——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時； 鋼對青銅：取μ=0.1~0.5 鋼對鑄鐵：取μ=0.18~0.3 取μ=0.2，設(shè)手爪、手爪驅(qū)動液壓缸及回轉(zhuǎn)液壓缸所受重力為G=400N，手臂伸縮液壓缸所受重力為G=150N，則G總=400+150+300=850N，L=50mm，a=100mm，則 F摩=0.2×1.3×850(2×50+100100)=442N 2）F密的計算 不斷密封圈其摩擦阻力不同，此處選用“Y”形密封圈。 F密=μpπdl 式中 μ——摩擦系數(shù)，μ=0.06~0.08 P——密封處的工作壓力（Pa）； d——密封處的直徑（m） l——沿軸向的密封長度，相當(dāng)于唇部的寬度（m）。 根據(jù)活塞桿的直徑選“Y”形密封圈型號為B16407ACM，內(nèi)徑為16mm，唇部寬度為7mm，設(shè)密封處工作壓力為2.5MPa，則 F密=μpπdl=0.07×2.5×106×π×0.016×0.007=61.58N 3）F回的計算 一般背壓阻力較小，可按F回=0.05p,此處忽略不計。 4）F慣的計算 F慣=G總ΔνgΔt0.7 式中 G總——參與運動的零部件所受的總重力（包括工件重量）（N）； g——重力加速度，取9.8m/s2; Δν——由靜止加速到常速的變化量（m/s）； Δt——啟動過程時間（s），一般取0.01~0.5s。 已知Δν=0.07m/s，取Δt=0.5s ∴ F慣=850×0.079.8×0.5=12.14N 手臂作水平直線運動液壓缸的驅(qū)動力為 F=F慣+F摩+F密+F回=12.14+442+61.58+0=515.72N 3.3.1.2.2 手臂作升降運動的液壓缸驅(qū)動力 F=F慣+F摩+F密+F回±G 式中 F摩——摩擦阻力，如下圖所示。F摩=2F1f，取f=0.16 G——零部件及工件所受總重力。 其他阻力的計算與上相同，省略。 注意，須按h>0.32ρ計算不自鎖的條件。 圖3.6 手臂各部件重心位置圖 3.3.1.3 伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸 3.3.1.3.1 液壓缸內(nèi)徑的計算 圖3.7雙作用液壓缸示意圖 如圖3.7所示，當(dāng)油進入無桿腔 F=F1η=pπD24η 當(dāng)油進入有桿腔 F=F2η=pπ(D2-d2)4η 液壓缸的有效面積： S=F p1 固有 D=4Fπp1η=1.134Fηp1 （無桿腔） D=4Fπp1η+d2 （有桿腔） 式中 F——驅(qū)動力（N）； p1——液壓缸的工作壓力（Pa）； d——活塞桿直徑（m）； D——液壓缸內(nèi)徑（m）； η——液壓缸機械效率，在工程機械中用耐油橡膠可取η=0.95。 由總體設(shè)計知，手臂在收縮是液壓油進入的有桿腔，取η=0.95，則 D=4Fπp1η+d2=4×515.72π×2.5×106×0.95+0.0162=0.031m 由于前面的手部和腕部的液壓缸內(nèi)徑都選的是40mm，為了使該機械手具有更好的通用性，這里也取D=40mm。 3.3.1.3.2液壓缸壁厚計算 初選壁厚δ=5mm，則： Dδ=405=8 因為16>Dδ>3.2時屬于中等壁厚，所以該壁厚屬于中等壁厚，計算公式為： δ=p1D(2.3[σ]-p1)φ+C 式中 p1——液壓缸內(nèi)工作壓力（Pa）； φ——強度系數(shù)（當(dāng)為無縫鋼管時φ=1）； C——讓管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標(biāo)準壁厚值； D——液壓缸內(nèi)徑（m）。 該鋼臂為無縫鋼管，則 δ=p1D(2.3[σ]-p1)φ+C=2.5×106×0.04(2.3×100×106-2.5×106)+C=0.001mm 所以選取的壁厚滿足條件。取標(biāo)準液壓缸外徑為50mm，則壁厚為5mm。 3.3.1.3.3 塞桿的計算 活塞桿的尺寸要滿足活塞（或液壓缸）運動的要求和強度的要求。對于桿長l大于直徑d的15倍（即l>15d）的活塞桿還必須具有足夠的穩(wěn)定性。 ①按強度條件決定活塞桿直徑d d≥4Fπ[σ]=4×515.72π×100×106=0.002m 所以d=16mm是滿足要求的。 ②活塞桿的穩(wěn)定性校核 當(dāng)活塞桿l>15d時，一般應(yīng)進行穩(wěn)定性校核。因為此處活塞桿長度為200mm，直徑為16mm，200/16<15，所以這里不用進行活塞桿的穩(wěn)定性校核。 3.3.1.3.4 螺釘?shù)挠嬎? 為了保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距t1，查表知，間距應(yīng)小于100mm，設(shè)螺釘數(shù)目為4個。 表3.1 間距t1與壓力p的關(guān)系 工作壓力p1（MPa） 螺釘間距t1（mm） 0.1~1.5 <150 1.5~2.5 <120 2.5~5.0 <100 5.0~10.0 <80 在這種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力FQ0為工作載荷FQ和預(yù)緊力FQ's之和 FQ0=FQ+FQs' 式中 FQ=FZ=πD24pZ F——驅(qū)動力（N） Z——螺釘數(shù)目 p——工作壓力（Pa） FQs'——預(yù)緊力FQs'=KFQ0 K＝1.5~1.8 D——危險剖面直徑（m） 螺釘?shù)膹姸葪l件為 σ合=1.3FQ0πd124=4FQjπd12≤[σ] d1≥4FQjπ[σ] 式中FQ0——計算載荷（N）； FQj=1.3FQ0 抗拉許用應(yīng)力（單位為MPa）[σ]=σsn n=1.2~2.5 d1——螺紋內(nèi)徑（mm） σs——螺釘材料屈服極限 設(shè)螺釘?shù)牟牧蠟?5號鋼，查得σs=360MPa，經(jīng)過計算得d1≥4.4mm，取螺釘型號為M5。 表3.2螺釘材料的屈服極限 鋼號 10 Q215 Q235 35 45 40Cr σsMPa 210 220 240 320 360 650~900 3.3.2手臂回轉(zhuǎn)液壓缸 3.3.2.1手臂回轉(zhuǎn)液壓缸結(jié)構(gòu)設(shè)計 經(jīng)考慮，手臂回轉(zhuǎn)液壓缸設(shè)計成如下形式： 圖3.8 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸 1——缸體 2——鍵 3——動片 4——左油孔 5——定片 6——右油孔 圖3.8所示的手臂結(jié)構(gòu)，采用一個回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。從 A-A剖視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡稱動片）用鍵 2 和轉(zhuǎn)軸連接在一起，定片 5 和缸體 1用銷釘和螺釘連接。壓力油分別由油孔 4、6 進出油腔，實現(xiàn)手部的旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)角的極限值由動片、定片之間允許回轉(zhuǎn)的角度來決定（一般小于 270°）。 3.3.2.2手臂回轉(zhuǎn)時所需的驅(qū)動力矩 手臂回轉(zhuǎn)時，需要克服以下幾種阻力： 1、回轉(zhuǎn)處的摩擦阻力M摩，一般為了簡化計算，取M摩=0.1M總 2、啟動慣性所需的力矩M慣 M慣=（J+J工件）ω22?啟 式中 J——手臂回轉(zhuǎn)部分對軸線的轉(zhuǎn)動慣量（Nms2） J工件——工件對回轉(zhuǎn)軸線處的轉(zhuǎn)動慣量（Nms2） ω——手臂回轉(zhuǎn)過程的角速度（1/s） ?啟——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad） M總=M摩+M慣 具體計算過程如下： 設(shè)：①手爪、手爪驅(qū)動液壓缸、手腕回轉(zhuǎn)液壓缸以及手臂伸縮液壓缸等效為一個圓柱體，高40cm，直徑為20cm，其所受重力為550N； ②摩擦阻力矩M摩=0.1M總； ③啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度?啟=18°=0.314rad，等速轉(zhuǎn)動角速度ω=90°/s=1.57s-1 轉(zhuǎn)動慣量計算為： J=m(l2+3R2)12=550(0.42+3×0.12)9.8×12=0.89（Nms2） J工件在手腕部分已算過，J工件=4.362（Nms2） 代入： M慣=（J+J工件）ω22?啟=（4.362+0.89）1.5722×0.314 =20.61（Nm） M摩=0.1M總 M總=0.1M總+20.61 M總=20.610.9=22.9（Nm） 3.3.2.3手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計計算 回轉(zhuǎn)液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力距，為了使該機械手具有更好的通用性，以及與相應(yīng)的機構(gòu)尺寸相吻合，設(shè)回轉(zhuǎn)的基本尺寸如下： 回轉(zhuǎn)缸內(nèi)徑 D=40mm 輸出軸與動片連接處的直徑d=10mm 動片寬度b=45mm 回轉(zhuǎn)液壓缸的工作壓力p=3MPa ∴ M驅(qū)=pb(R2-r2)2=3×106×0.015(0.0202-0.0052)2=25.31N?m 因為M驅(qū)>M總，所以是符合要求的。 3.3.2.4缸蓋螺釘?shù)挠嬎? 由于在計算手臂伸縮液壓缸過程中已經(jīng)行過缸蓋螺釘?shù)挠嬎悖颂幍挠嬎闩c上面相同，故不再贅述。 4 機械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)自 60 年代初到現(xiàn)在，已自機械手中獲得廣泛應(yīng)用。它的優(yōu)點是：動力大、力（或力矩）慣性比大、快速響應(yīng)高、易于實現(xiàn)直接驅(qū)動等。 液壓系統(tǒng)在機械手中所起的作用是通過電—液轉(zhuǎn)換元件把控制信號進行功率放大，對液壓動力機構(gòu)進行方向、位置和速度的控制，進而控制機械手的手臂按給定的運動規(guī)律動作。液壓動力機構(gòu)多數(shù)情況下采用直線液壓缸或擺動液壓缸。用于實現(xiàn)手臂的伸縮升降以及手腕、手臂的回轉(zhuǎn)。 4.1 程序控制機械手的液壓系統(tǒng) 這類機械手屬于非伺服控制機械手，在只有簡單搬運動作業(yè)功能的機械手中，常常采用簡單的邏輯控制裝置或編程控制，對機械手實現(xiàn)有限位的控制。這類機械手的液壓系統(tǒng)設(shè)計與其它液壓機械設(shè)計所考慮的問題大致相同，只是在以下方面須加以重視。 1）液壓缸設(shè)計：在確保密封性的前提下，盡量選用橡膠與氟化塑料組合的密封件，以減少摩擦阻力，提高液壓缸的壽命。 2）定位點的緩沖與制動：因機械手手臂的運動慣量較大，在定位點前要加緩沖與制動機構(gòu)或鎖緊裝置。 3）對慣性較大的運動軸和接近機械手末端的腕部運動軸的液壓缸兩側(cè)，最好加設(shè)安全保護裝置，防止因碰撞過載損壞機械結(jié)構(gòu)。 4.2 液壓系統(tǒng)傳動方案的確定 4.2.1各液壓缸的換壓回路 為便于機械手的自動控制，如采用可編程序控制器或微機進行控制，從總體方案設(shè)計中可知系統(tǒng)系統(tǒng)的壓力和流量都不高，因此一般都選用電磁換向閥回路，以獲得較好的自動化程度和經(jīng)濟效益。 液壓機械手一般采用單泵或雙泵供油，手臂伸縮、手臂俯仰、手臂旋轉(zhuǎn)等機構(gòu)采用并聯(lián)供油，這樣可有效降低系統(tǒng)的供油壓力，此時為了保證多缸運動的系統(tǒng)互不干擾，實現(xiàn)同步或非同步運動，換向閥需采用中位“O”型換向閥。 合本設(shè)計方案，所有液壓缸都采用“O”型電磁換向閥，如圖4.1所示： a) b) c) 圖4.1 a) ——伸縮缸，b) ——升降缸，c) ——回轉(zhuǎn)缸 4.2.2 調(diào)速方案 整個液壓系統(tǒng)只用單泵或雙泵工作，各液壓缸所需的流量相差較大，各液壓缸都用液壓泵的全流量工作是無法滿足設(shè)計要求的。盡管有的液壓缸是單一速度工作，但也需要進行節(jié)流調(diào)速，用以保證液壓缸的平穩(wěn)運行。各缸可選擇進油路或回油路節(jié)流調(diào)速，因為系統(tǒng)為中低壓系統(tǒng)，一般適宜選用節(jié)流閥調(diào)速。 在一般情況下，機械手的各個部位是分別動作的，手臂回轉(zhuǎn)缸、手腕回轉(zhuǎn)缸和夾緊缸所需的流量較為接近，手臂伸縮缸的流量較大，這兩組缸所需的流量相差較大，這樣可以選擇單泵供油系統(tǒng)，也可選擇雙泵供油系統(tǒng)，本設(shè)計選擇單泵供油系統(tǒng)。 單泵供油系統(tǒng)要以所有液壓缸中需流量最大的來選擇泵的流量。優(yōu)點是系統(tǒng)較為簡單，所需的元件較少，經(jīng)濟性好。 圖4.2 單泵供油系統(tǒng) 4.2.3 減速緩沖回路 通用工業(yè)機械手要求可變行程，在液壓缸的起動和停止的過程中都需要緩沖。如圖所示采用一個二位二通電磁換向閥和一個節(jié)流閥形成緩沖回路。當(dāng)液壓缸運動到希望點時，由位置檢測裝置發(fā)信號給主機，然后主機控制電磁閥 1YA 通電切斷二位二通的通路，液壓缸的回路改經(jīng)節(jié)流閥回油箱，增大的回油路的阻力，使液壓缸速度減慢，防止沖擊達到緩沖目的，這種回路也適用于擺動缸。 圖4.3回油節(jié)流緩沖回路 4.3 液壓系統(tǒng)的合成 在上述主要液壓回路選好后，再加上其它功用的輔助油路（如卸荷、測壓等油路），就可以進行合并，完善為完整的液壓系統(tǒng)，并編制液壓系統(tǒng)動作循環(huán)及電磁鐵動作順序表。 完整的液壓原理圖和電磁鐵動作順序表如下所示： 圖4.4 完整的液壓原理圖 表4.1電磁鐵動作順序表 電磁鐵 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 手臂伸縮 伸出 + + + + + + 伸出緩沖 縮回 縮回緩沖 手臂回轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) + + + + + + 正轉(zhuǎn)緩沖 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)緩沖 手臂升降 伸出 + + + + + + 伸出緩沖 縮回 縮回緩沖 手腕回轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) + + + + + + 正轉(zhuǎn)緩沖 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)緩沖 手爪 夾緊 + + 松開 原位卸荷 + 5 機械手的可編程控制 工業(yè)機械手的電器控制系統(tǒng)相當(dāng)于人的大腦，它指揮機械手的動作，并協(xié)調(diào)機械手與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的關(guān)系。機械手的工作順序、應(yīng)達到的位置，如手臂上下移動、伸縮、回轉(zhuǎn)及擺動、手腕上下、左右擺動和回轉(zhuǎn)、手指的開閉動作，以及各個動作的時間、速度等，都是在控制系統(tǒng)的指揮下，通過每一運動部件沿各坐標(biāo)軸的動作按照預(yù)先整定好的程序來實現(xiàn)的。 不論自動電氣控制裝置復(fù)雜程度如何，對于生產(chǎn)線及各種功能的機械手來說，一般都要求電氣控制系統(tǒng)按照預(yù)先規(guī)定的動作程序進行順序控制。 隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展以及工業(yè)機械手技術(shù)的不斷成熟，可編程控制器被廣泛應(yīng)用，它的優(yōu)點是運行穩(wěn)定、編程方法簡單易學(xué)、功能強，性能價格比高、硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強、無觸點面配線，可靠性高，抗干擾能力強、系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、調(diào)試工作量少、維修工作量小，維修方便，體積小，能耗低。所以該機械手采用 PLC 控制。 5.1 輸入輸出觸點的分配 5.1.1 行程開關(guān)的分配 1、推動手臂回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)液壓缸 手臂正轉(zhuǎn)限位：ST1 手臂反轉(zhuǎn)限位：ST2 2、推動手臂升降的直動液壓缸 手臂上升限位：ST3 手臂下降限位：ST4 3、推動手臂伸縮的直動液壓缸 手臂伸出限位：ST5 手臂縮回限位：ST6 4、推動手腕回轉(zhuǎn)的回轉(zhuǎn)液壓缸 手腕正轉(zhuǎn)限位：ST7 手腕反轉(zhuǎn)限位：ST8 5、推動手爪夾緊的直動液壓缸 手爪松的夾緊缸開由結(jié)構(gòu)限位限位，故不需要限位開關(guān) 5.1.2 手動按鈕的分配 1、手臂回轉(zhuǎn)控制 手臂正轉(zhuǎn)：SB1 手臂反轉(zhuǎn)：SB2 手臂回轉(zhuǎn)緩沖：SB11 2、手臂升降控制 手臂上升：SB3 手臂下降：SB4 手臂升降緩沖：SB12 3、手臂伸縮控制 手臂伸出：SB5 手臂縮回：SB6 手臂伸縮緩沖：SB13 4、手腕回轉(zhuǎn)控制 手腕正轉(zhuǎn)：SB7 手腕反轉(zhuǎn)：SB8 手腕回轉(zhuǎn)緩沖：SB14 5、手爪夾緊控制 手爪夾緊：SB9 手爪松開：SB10 6、其他 啟動：SB15 回原點：SB16 連續(xù)：SB17 點位控制：SB18 停止：SB19 5.1.3 輸入輸出繼電器的分配 1、輸入輸出元件號均用八進制數(shù)表示，上述每一個行程開關(guān)和手動按鈕都對應(yīng)一個輸入繼電器，則輸入觸點分配如下： ST1-ST8:X0-X7(按順序一一對應(yīng))。 SB1-SB17:X10-X32(按順序一一對應(yīng))。 2、輸出觸點分配如下： 每個電磁閥對應(yīng)一個輸出繼電器，則1YA－14YA：Y0-Y16 (按順序一一對應(yīng))。 5.2 外部接線圖 根據(jù)觸點數(shù)目，此處選用FX2N-64型可編程控制器，外部接線圖如圖5.1所示： 圖5.1 外部接線圖 5.3 控制面板設(shè)計 此面板提供了一個人機交互的界面，當(dāng)該機械手需要調(diào)試和維修的時候就會用到它。當(dāng)然，當(dāng)生產(chǎn)線有暫停的時候，也需要人為的停止和起動。所有的手動按鈕都要設(shè)定在控制面板上。 圖5.3 控制面板圖 5.4 狀態(tài)控制圖 該機械手在每個周期內(nèi)需要完成上料、進入下一工位、翻轉(zhuǎn)工件、回到原點4個主要步驟，如圖5.4所示 圖5.4狀態(tài)流程簡圖 將每一個主要步驟拆開來，可以得到狀態(tài)流程詳圖，如圖5.5所示： 圖5.5狀態(tài)流程詳圖 5.5梯形圖 根據(jù)狀態(tài)流程詳圖和外部接線圖得出如下5.6所示梯形圖 圖5.6 梯形圖 結(jié) 論 經(jīng)過兩個多月的馬拉松式的緊張設(shè)計，隨著這份《說明書》的收筆也即將告捷?；叵肫鹪O(shè)計的過程，酸甜酸苦辣一言難盡。雖然時間的緊迫和就業(yè)的壓力始終徘徊在設(shè)計的過程中，但畢竟收獲的喜悅還是勝過了工作的幸勞。非常慶幸能在畢業(yè)之際交上一份令自己滿意的答卷。 本次畢業(yè)設(shè)計課題內(nèi)容覆蓋面廣。涉及到機械等主干課程，通過認真實習(xí)、調(diào)查、分析、研究、查閱大量參考資料，順利地完成了此次的畢業(yè)設(shè)計。這次的設(shè)計中，我也發(fā)現(xiàn)自己在基礎(chǔ)課和專業(yè)課上存在的缺陷，在周老師的悉心指導(dǎo)和同組同學(xué)的幫助下，我也逐漸地彌補自己的缺陷，努力將自己的設(shè)計做好。 通過此次畢業(yè)設(shè)計，我了解和掌握了機械手設(shè)計的基本要求、步驟、方法及應(yīng)考慮的有關(guān)問題，并鞏固和深化了大學(xué)四年中幾乎所有專業(yè)知識，培養(yǎng)了科學(xué)的思維、工作方式和理論聯(lián)系實際的能力，更是體會到了相互協(xié)作的工作精神，給即將踏上工作崗位的我們起到一次很好地實戰(zhàn)練兵演習(xí)，為將來的工作打下基礎(chǔ)。 在本次設(shè)計中，由謝衛(wèi)容老師指導(dǎo)。謝老師老師工作細致，嚴謹治學(xué)，在設(shè)計中給予我了極大的幫助，指導(dǎo)我完成工作。謝老師教給我們一些做事的道理，在以后的生活工作中都是非常有用的，在此表示深沉地謝意！同時，借此機會謹向教誨過我的老師們表示深深地謝意；向在身后一如既往地支持我的父母表示深深地謝意；向在設(shè)計過程中關(guān)心和幫助我的同學(xué)表示深深地謝意！ 由于本人設(shè)計經(jīng)驗不足，不妥之處在所難免，水平亦有限，懇請各位老師批評指正。 致 謝 經(jīng)過兩個多月緊張的工作，我的畢業(yè)設(shè)計終于做完了。在這里，我首先要感謝我的畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)老師謝衛(wèi)容老師。 我從今年4月份開始在武漢市海波鋼結(jié)構(gòu)工程有限公司工作，這里沒有雙休，并且經(jīng)常加班，每天工作完后感覺很累，什么都不想做，所以畢業(yè)設(shè)計的進度很慢，這期間如果不是謝老師的督促和鼓勵，我想我是很難完成這次畢業(yè)設(shè)計的。在剛拿到“關(guān)節(jié)型機械手”這個畢業(yè)設(shè)計題目的時候，我感覺一片茫然，不知道從哪里做起，這時謝老師給了我很大的幫助，她指導(dǎo)我該借哪些參考資料以及怎么做。由于公司里很少放假，所以我每次都是通過網(wǎng)絡(luò)將我做的進度傳給謝老師，從開題報告到畢業(yè)設(shè)計的初稿我都是這樣傳給謝老師，然后她再根據(jù)我做的提出修改意見，盡管這樣很麻煩，但謝老師每次都盡心做好，這點讓我相當(dāng)敬佩。 機械手的設(shè)計要用到大學(xué)里所學(xué)的各種知識，所以我不光要感謝謝老師，還要感謝大學(xué)四年里我所有的任課老師和同學(xué)，是他們讓我掌握了機械設(shè)計的各種基礎(chǔ)知識。 最后，再次感謝謝老師、各位任課老師、同學(xué)和所有對我的畢業(yè)設(shè)計提供幫助的人，謝謝你們！ 參考文獻 [1]李允文.工業(yè)機械手設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1996. 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