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目 錄
1 前言
1.1 工業(yè)機(jī)器人簡介----------------------------------------------------------（1）
1.2 世界機(jī)器人的發(fā)展--------------------------------------------------------（1）
1.3 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展----------------------------------------------------（2）
1.4 我要設(shè)計的機(jī)械手--------------------------------------------------------（2）
1.4.1 臂力的確定---------------------------------------------------------------------------------------（2）
1.4.2工作范圍的確定----------------------------------------------------------------------------------（2）
1.4.3 確定運(yùn)動速度--------------------------------------------------------（3）
1.4.4 手臂的配置形式------------------------------------------------------（3）
1.4.5 位置檢測裝置的選擇--------------------------------------------------（4）
1.4.6 驅(qū)動與控制方式的選擇------------------------------------------------（4）
2 手部結(jié)構(gòu)------------------------------------------------------------------------------------------（5）
2.1概述-------------------------------------------------------------------------------------------------------（5）
2.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題----------------------------------------------------------------------------（5）
2.3 驅(qū)動力的計算 -----------------------------------------------------------------------------------------（5）
2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析------------------------------------------------------------（8）
3 腕部的結(jié)構(gòu)---------------------------------------------------------------------------------------（9）
3.1 概述------------------------------------------------------------------------------------------------------（9）
3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式--------------------------------------------------------------------------------------（9）
3.3手腕驅(qū)動力矩的計算-----------------------------------------------------（10）
4 臂部的結(jié)構(gòu)-------------------------------------------------------------------------------------（13）
4.1 概述----------------------------------------------------------------------------------------------------（13）
4.2手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)-----------------------------------------------------------------------------------（13）
4.2.1手臂伸縮運(yùn)動------------------------------------------------------------------------------------（14）
4.2.2 導(dǎo)向裝置---------------------------------------------------------------------------------------（14）
4.2.3 手臂的升降運(yùn)動-------------------------------------------------------------------------------（15）
4.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動----------------------------------------------------------------------------------------（16）
4.4 手臂的橫向移動-------------------------------------------------------------------------------------（16）
4.5 臂部運(yùn)動驅(qū)動力計算------------------------------------------------------------------------------（17）
4.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動驅(qū)動力的計算------------------------------------------------------------（17）
4.5.2 臂垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力的計算------------------------------------------------------------（18）
4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩的計算---------------------------------------（18）
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計-----------------------------------------------------------------------------（20）
5.1液壓系統(tǒng)簡介---------------------------------------------------------------------------------------（20）
5.2液壓系統(tǒng)的組成------------------------------------------------------------------------------------（20）
5.3機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路---------------------------------------------（20）
5.3.1 壓力控制回路-------------------------------------------------------------------------------（20）
5.3.2 速度控制回路-------------------------------------------------------------------------------（21）
5.3.3 方向控制回路-----------------------------------------------------------------------------------（21）
5.4 機(jī)械手的液壓傳動系統(tǒng)----------------------------------------------------------------------------（21）
5.4.1 上料機(jī)械手的動作順序----------------------------------------------------------------------（22）
5.4.2 自動上料機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理介紹-------------------------------------------------------（22）
5.5機(jī)械手液壓系統(tǒng)的簡單計算-----------------------------------------------（24）
5.5.1 雙作用單桿活塞油缸------------------------------------------------（25）
5.5.2 無桿活塞油缸（亦稱齒條活塞油缸）----------------------------------（27）
5.5.3 單葉片回轉(zhuǎn)油缸 ---------------------------------------------------（29）
5.5.4 油泵的選擇--------------------------------------------------------（30）
5.5.5 確定油泵電動機(jī)功率N ----------------------------------------------（31）
6 PLC控制回路的設(shè)計-----------------------------------------------------------------------（32）
6.1 電磁鐵動作順序-------------------------------------------------------------------------------------（32）
6.2 現(xiàn)場器件與PLC內(nèi)部等效繼電器地址編號的對照表---------------------------------------（33）
6.3 PLC與現(xiàn)場器件的實際連接圖------------------------------------------------------------------（34）
6.4 梯形圖-------------------------------------------------------------------------------------------------（35）
6.5 指令程序-----------------------------------------------------------------------------------------------（36）
7 結(jié)束語 -----------------------------------------------------------------------------------------------------（41）
8參考文獻(xiàn)--------------------------------------------------------------------------------------------------（42）
9致 謝 ---------------------------------------------------------------------------------------------------（43）
液壓傳動機(jī)械手的設(shè)計
摘 要 本次設(shè)計的液壓傳動機(jī)械手根據(jù)規(guī)定的動作順序，綜合運(yùn)用所學(xué)的基本理論、基本知識和相關(guān)的機(jī)械設(shè)計專業(yè)知識，完成對機(jī)械手的設(shè)計，并繪制必要裝配圖、液壓系統(tǒng)圖、PLC控制系統(tǒng)原理圖。機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用油缸、螺桿、導(dǎo)向筒等機(jī)械器件組成；在液壓傳動機(jī)構(gòu)中，機(jī)械手的手臂伸縮采用伸縮油缸，手腕回轉(zhuǎn)采用回轉(zhuǎn)油缸，立柱的轉(zhuǎn)動采用齒條油缸，機(jī)械手的升降采用升降油缸，立柱的橫移采用橫向移動油缸；在PLC控制回路中，采用的PLC類型為FX2N，當(dāng)按下連續(xù)啟動后，PLC按指定的程序，通過控制電磁閥的開關(guān)來控制機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)的動作循環(huán)，當(dāng)按下連續(xù)停止按鈕后，機(jī)械手在完成一個動作循環(huán)后停止運(yùn)動。
本設(shè)計擬開發(fā)的上料機(jī)械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣，可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進(jìn)行作業(yè)，可抓取重量較大的工件。
關(guān)鍵詞 機(jī)械手、液壓、控制回路、PLC
The design of the hydraulic manipulator
Abstract The design of hydraulic drive manipulator movements under the provisions of the order ， use the basic theory, basic knowledge and related mechanical design expertise comprehensively to complete the design，and drawing the necessary assembly, hydraulic system map, PLC control system diagram . Manipulator mechanical structure using tanks, screw ,guide tubes and other mechanical device component ；In the hydraulic drive bodies ，manipulator arm stretching using telescopic tank ，rotating column of tanks used rack ，manipulator movements using tank movements ，the column takes the horizontal movement of tanks ；The PLC control circuit use the type of FX2N PLC .When pressed for commencement ，PLC in accordance with the prescribed procedures ，through the control of the solenoid valve to control the switch manipulator corresponding moves cycle ，after press the row stop button , the manipulator complete a cycle of action to stop after the hole campaign.
The design of the proposed development of the information on the manipulator can grasp up in space objects ，flexible and varied movements ，can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations，and can grasp the larger workpieces .
Keywords Manipulator 、Hydraulic、Control Loop 、PLC
1 前言
1.1 工業(yè)機(jī)器人簡介
幾千年前人類就渴望制造一種像人一樣的機(jī)器，以便將人類從繁重的勞動中解脫出來。如古希臘神話《阿魯哥探險船》中的青銅巨人泰洛斯（Taloas)，猶太傳說中的泥土巨人等等，這些美麗的神話時刻激勵著人們一定要把美麗的神話變?yōu)楝F(xiàn)實，早在兩千年前就開始出現(xiàn)了自動木人和一些簡單的機(jī)械偶人。
到了近代 ，機(jī)器人一詞的出現(xiàn)和世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人問世之后，不同功能的機(jī)器人也相繼出現(xiàn)并且活躍在不同的領(lǐng)域，從天上到地下，從工業(yè)拓廣到 農(nóng)業(yè)、林、牧、漁，甚至進(jìn)入尋常百姓家。機(jī)器人的種類之多，應(yīng)用之廣，影響之深，是我們始料未及的。
工業(yè)機(jī)器人由操作機(jī)（機(jī)械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構(gòu)成，是一種仿人操作、自動控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機(jī)電一體化自動化生產(chǎn)設(shè)備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產(chǎn)。它對穩(wěn)定、提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，改善勞動條件和產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代起著十分重要的作用。
機(jī)器人并不是在簡單意義上代替人工的勞動，而是綜合了人的特長和機(jī)器特長的一種擬人的電子機(jī)械裝置，既有人對環(huán)境狀態(tài)的快速反應(yīng)和分析判斷能力，又有機(jī)器可長時間持續(xù) 工作、精確度高、抗惡劣環(huán)境的能力，從某種意義上說它也是機(jī)器的進(jìn)化過程產(chǎn)物，它是工 業(yè)以及非產(chǎn)業(yè)界的重要生產(chǎn)和服務(wù)性設(shè)備，也是先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的自動化設(shè)備。
1.2世界機(jī)器人的發(fā)展
國外機(jī)器人領(lǐng)域發(fā)展近幾年有如下幾個趨勢：
（1）. 工業(yè)機(jī)器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機(jī)價格不斷下降，平均單機(jī)價格從91年的10．3萬美元降至97年的6．5萬美元。
（2）．機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī)；國外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問市。
（3）．工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)向基于PC機(jī)的開放型控制器方向發(fā)展，便于標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu)；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。
（4）．機(jī)器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機(jī)器人還應(yīng)用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機(jī)器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術(shù)來進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制；多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。
（5）．虛擬現(xiàn)實技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機(jī)器人。
（6）．當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實驗室進(jìn)入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機(jī)器人就是這種系統(tǒng)成功應(yīng)用的最著名實例。
(7)．機(jī)器人化機(jī)械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機(jī)床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應(yīng)用的領(lǐng)域。
1.3 我國工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展
有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。
我國的工業(yè)機(jī)器人從80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù)、運(yùn)動學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線（站）上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國外比還有一定的距離，如：可靠性低于國外產(chǎn)品；機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國外比有差距；在應(yīng)用規(guī)模上，我國已安裝的國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人約200臺，約占全球已安裝臺數(shù)的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶的要求，“一客戶，一次重新設(shè)計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產(chǎn)業(yè)化前期的關(guān)鍵技術(shù)，對產(chǎn)品進(jìn)行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模化設(shè)計，積極推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
我國的智能機(jī)器人和特種機(jī)器人在“863”計劃的支持下，也取得了不少成果。其中最為突出的是水下機(jī)器人，6000米水下無纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種；在機(jī)器人視覺、力覺、觸覺、聲覺等基礎(chǔ)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用上開展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。但是在多傳感器信息融合控制技術(shù)、遙控加局部自主系統(tǒng)遙控機(jī)器人、智能裝配機(jī)器人、機(jī)器人化機(jī)械等的開發(fā)應(yīng)用方面則剛剛起步，與國外先進(jìn)水平差距較大，需要在原有成績的基礎(chǔ)上，有重點地系統(tǒng)攻關(guān)，才能形成系統(tǒng)配套可供實用的技術(shù)和產(chǎn)品，以期在“十五”后期立于世界先進(jìn)行列之中。
1.4 我要設(shè)計的機(jī)械手
1.4.1 臂力的確定
目前使用的機(jī)械手的臂力范圍較大，國內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的臂力最小為0.15N，最大為8000N。本液壓機(jī)械手的臂力為N臂 =1650（N），安全系數(shù)K一般可在1.5~3，本機(jī)械手取安全系數(shù)K=2。定位精度為±1mm。
1.4.2 工作范圍的確定
機(jī)械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運(yùn)動的軌跡來確定。一個操作運(yùn)動的軌跡是幾個動作的合成，在確定的工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定機(jī)械手的最大行程。本機(jī)械手的動作范圍確定如下：
手腕回轉(zhuǎn)角度±115°
手臂伸長量150mm
手臂回轉(zhuǎn)角度±115°
手臂升降行程170mm
手臂水平運(yùn)動行程100mm
1.4.3 確定運(yùn)動速度
機(jī)械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進(jìn)而確定各動作的運(yùn)動速度。液壓上料機(jī)械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手臂升降、伸縮、回轉(zhuǎn)，平移等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該在工作拍節(jié)規(guī)定的時間內(nèi)完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對分配的方案進(jìn)行比較，才能確定。
機(jī)械手的總動作時間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進(jìn)行，要按時間長的計算，分配各動作時間應(yīng)考慮以下要求：
① 給定的運(yùn)動時間應(yīng)大于電氣、液壓元件的執(zhí)行時間；
② 伸縮運(yùn)動的速度要大于回轉(zhuǎn)運(yùn)動的速度，因為回轉(zhuǎn)運(yùn)動的慣性一般大于伸縮運(yùn)動的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運(yùn)動速度。機(jī)械手的運(yùn)動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。
③ 在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進(jìn)行。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動作的同步。
液壓上料機(jī)械手的各運(yùn)動速度如下：
手腕回轉(zhuǎn)速度 V腕回 = 40°/s
手臂伸縮速度 V臂伸 = 50 mm/s
手臂回轉(zhuǎn)速度 V臂回 = 40°/s
手臂升降速度 V臂升 = 50 mm/s
立柱水平運(yùn)動速度 V柱移 = 50 mm/s
手指夾緊油缸的運(yùn)動速度 V夾 = 50 mm/s
1.4.4 手臂的配置形式
機(jī)械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運(yùn)動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機(jī)械手采用機(jī)座式。機(jī)座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機(jī)器人所采用，機(jī)座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運(yùn)與安放，機(jī)座底部也可以安裝行走機(jī)構(gòu)，已擴(kuò)大其活動范圍，它分為手臂配置在機(jī)座頂部與手臂配置在機(jī)座立柱上兩種形式，本機(jī)械手采用手臂配置在機(jī)座立柱上的形式。手臂配置在機(jī)座立柱上的機(jī)械手多為圓柱坐標(biāo)型，它有升降、伸縮與回轉(zhuǎn)運(yùn)動，工作范圍較大。
1.4.5 位置檢測裝置的選擇
機(jī)械手常用的位置檢測方式有三種：行程開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式。本機(jī)械手采用行程開關(guān)式。利用行程開關(guān)檢測位置，精度低，故一般與機(jī)械擋塊聯(lián)合應(yīng)用。在機(jī)械手中，用行程開關(guān)與機(jī)械擋塊檢測定位既精度高又簡單實用可靠，故應(yīng)用也是最多的。
1.4.6 驅(qū)動與控制方式的選擇
機(jī)械手的驅(qū)動與控制方式是根據(jù)它們的特點結(jié)合生產(chǎn)工藝的要求來選擇的，要盡量選擇控制性能好、體積小、維修方便、成本底的方式。
控制系統(tǒng)也有不同的類型。除一些專用機(jī)械手外，大多數(shù)機(jī)械手均需進(jìn)行專門的控制系統(tǒng)的設(shè)計。
驅(qū)動方式一般有四種：氣壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機(jī)械驅(qū)動。
參考《工業(yè)機(jī)器人》表9-6和表9-7，按照設(shè)計要求，本機(jī)械手采用的驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動，控制方式為固定程序的PLC控制。
2 手部結(jié)構(gòu)
2.1概述
手部是機(jī)械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進(jìn)行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機(jī)械手手臂的前端。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運(yùn)動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機(jī)構(gòu)組成。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。
2.2 設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題
①應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力）
在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
②手指間應(yīng)有一定的開閉角
兩個手指張開與閉合的兩個極限位置所夾的角度稱為手指的開閉角。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。
③應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位
為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。例如圓柱形工件采用帶‘V’形面的手指，以便自動定心。
④應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。
⑤應(yīng)考慮被抓取對象的要求
應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計和確定手指的形狀。
2.3 驅(qū)動力的計算
1.手指 2.銷軸 3.拉桿 4.指座
圖1 滑槽杠桿式手部受力分析
如圖所示為滑槽式手部結(jié)構(gòu)。在拉桿3作用下銷軸2向上的拉力為P，并通過銷軸中心O點，兩手指1的滑槽對銷軸的反作用力為P1、P2，其力的方向垂直于滑槽中心線OO1和OO2并指向O點，P1和P2的延長線交O1O2于A及B，由于△O1OA和△O2OA均為直角三角形，故∠AOC=∠BOC=α。根據(jù)銷軸的力平衡條件，即
∑Fx=0,P1=P2;∑Fy=0
P=2P1cosα
P1=P/2cosα
銷軸對手指的作用力為p1′。手指握緊工件時所需的力稱為握力（即夾緊力），假想握力作用在過手指與工件接觸面的對稱平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以N表示。由手指的力矩平衡條件，即∑m01(F)=0得
P1′h=Nb
因 h=a/cosα
所以 P=2b(cosα)N/a
式中 a——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心線的距離（毫米）。
α——工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點連線間的夾角。
由上式可知，當(dāng)驅(qū)動力P一定時，α角增大則握力N也隨之增加，但α角過大會導(dǎo)致拉桿（即活塞）的行程過大，以及手指滑槽尺寸長度增大，使之結(jié)構(gòu)加大，因此，一般取α=30°~40°。這里取角α=30度。
這種手部結(jié)構(gòu)簡單，具有動作靈活，手指開閉角大等特點。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計基礎(chǔ)》中表2-1可知，V形手指夾緊圓棒料時，握力的計算公式N=0.5G，綜合前面驅(qū)動力的計算方法，可求出驅(qū)動力的大小。為了考慮工件在傳送過程中產(chǎn)生的慣性力、振動以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實際的驅(qū)動力P實際應(yīng)按以下公式計算，即：
P實際=PK1K2/η
式中 η——手部的機(jī)械效率，一般取0.85~0.95；
K1——安全系數(shù)，一般取1.2~2
K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，K2可近似按下式估計，K2=1+a/g，其中a為被抓取工件運(yùn)動時的最大加速度，g為重力加速度。
本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移，當(dāng)它的移動速度為500毫米/秒，移動加速度為1000毫米/秒，工件重量G為98牛頓，V型鉗口的夾角為120°,α=30°時，拉緊油缸的驅(qū)動力P和P實際計算如下：
根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計算公式
N=0.5G
把已知條件代入得當(dāng)量夾緊力為
N=49（N）
由滑槽杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動力計算公式
P=2b(cosα)N/a 得
P=P計算=2*45/27(cos30°)*49=122.5(N)
P實際=P計算K1K2/η
取η=0.85, K1=1.5, K2=1+1000/9810≈1.1
則 P實際=122.5*1.5*1.1/0.85=238(N)
2.4 兩支點回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析
圖2 帶浮動鉗口的鉗爪
鉗口與鉗爪的連接點E為鉸鏈聯(lián)結(jié),如圖示幾何關(guān)系,若設(shè)鉗爪對稱中心O到工件中心O′的距離為x,則
x=
當(dāng)工件直徑變化時,x的變化量即為定位誤差△,設(shè)工件半徑R由Rmax變化到Rmin時,其最大定位誤差為
△ =∣-∣
其中l(wèi)=45mm ,b=5mm ,a=27mm ,2=120° ,Rmin=15mm ,Rmax=30mm
代入公式計算得
最大定位誤差△=∣44.2-44.7∣=0.5＜0.8
故符合要求.
3 腕部的結(jié)構(gòu)
3.1 概述
腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設(shè)計腕部時要注意以下幾點：
① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。
② 轉(zhuǎn)動靈活，密封性要好。
③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題
④ 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。
另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過，以便手腕轉(zhuǎn)動時管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。
3.2 腕部的結(jié)構(gòu)形式
本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動實現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為±115°.
如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷子進(jìn)行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅(qū)動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動，即為手腕的回轉(zhuǎn)運(yùn)動。
圖3 機(jī)械手的腕部結(jié)構(gòu)
3.3手腕驅(qū)動力矩的計算
驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉(zhuǎn)動時所需要的驅(qū)動力矩可按下式計算：
M驅(qū)=M慣+M偏+M摩 （N.m）
式中 M驅(qū)——驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩
M慣——慣性力矩 （N.m）
M偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （N.m）
M摩——手腕轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦力矩 （N.m）
圖4 腕部回轉(zhuǎn)力矩計算圖
⑴ 摩擦阻力矩M摩
M摩 =（N1D1+N2D2） （N.m）
式中 f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.02，滑動軸承取f=0.1；
N1 、N2 ——軸承支承反力 （N）；
D1 、D2 ——軸承直徑（m）
由設(shè)計知D1=0.035m D2=0.054m N1=800N N2=200N G1=98N e=0.020時
M摩 =0.1*（200*0.035+800*0.054）/2
得 M摩 =2.50（N.m）
⑵ 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩M偏
M偏 =G1 e （N.m）
式中 G1——工件重量（N）
e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，M偏為零
當(dāng)e=0.020，G1=98N時
M偏 =1.96 （N·m）
⑶ 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣
① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度時，可用下式計算M慣
M慣 =（J+J工件） （N·m）
式中 ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）
T——手腕啟動過程中所用時間（s），（假定啟動過程中近為加速運(yùn)動）
J——手腕回轉(zhuǎn)部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）
J工件——工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量 （kg·m）
按已知計算得J=2.5，J工件 =6.25，=0.3m/ m,t=2
故 M慣 = 1.3（N·m）
② 當(dāng)知道啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度時，也可以用下面的公式計算M慣：
M慣=（J+J工件） （N·m）
式中 ——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（rad）;
——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （1/s）。
考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取
M =1.1∽1.2 （M慣+M偏+M摩 ） （N.m）
M = 1.2*（2.5+1.96+1.3） =6.9 （N.m）
4 臂部的結(jié)構(gòu)
4.1 概述
臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機(jī)械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動。手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動是通過立柱來實現(xiàn)的。；立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各種運(yùn)動通常由驅(qū)動機(jī)構(gòu)和各種傳動機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C(jī)械手的工作性能，所以必須根據(jù)機(jī)械手的抓取重量、運(yùn)動形式、自由度數(shù)、運(yùn)動速度及其定位精度的要求來設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)型式。同時，設(shè)計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導(dǎo)向裝置的布置、內(nèi)部管路與手腕的連接形式等因素。因此設(shè)計臂部時一般要注意下述要求：
① 剛度要大 為防止臂部在運(yùn)動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓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曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導(dǎo)向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。
② 導(dǎo)向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運(yùn)動軸線發(fā)生相對運(yùn)動，或設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計方形、花鍵等形式的臂桿。
③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉(zhuǎn)軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機(jī)器人的運(yùn)動速度，要盡量減少臂部運(yùn)動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。
④ 運(yùn)動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運(yùn)動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運(yùn)動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應(yīng)盡量減少小臂部運(yùn)動部分的重量，使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。
4.2手臂直線運(yùn)動機(jī)構(gòu)
機(jī)械手手臂的伸縮、升降及橫向移動均屬于直線運(yùn)動，而實現(xiàn)手臂往復(fù)直線運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機(jī)構(gòu)、絲桿螺母機(jī)構(gòu)以及活塞缸和連桿機(jī)構(gòu)。
4.2.1手臂伸縮運(yùn)動
這里實現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動是采用液壓驅(qū)動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機(jī)械手的手臂機(jī)構(gòu)中應(yīng)用比較多。如下圖所示為雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當(dāng)雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）作往復(fù)直線運(yùn)動。導(dǎo)向桿3在導(dǎo)向套4內(nèi)移動，以防止手臂伸縮時的轉(zhuǎn)動（并兼做手腕回轉(zhuǎn)缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩導(dǎo)向桿之間，由導(dǎo)向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊?？捎糜谧ブ卮?、行程較長的場合。
圖5 雙導(dǎo)向桿手臂的伸縮結(jié)構(gòu)
4.2.2 導(dǎo)向裝置
液壓驅(qū)動的機(jī)械手手臂在進(jìn)行伸縮（或升降）運(yùn)動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉(zhuǎn)動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂的結(jié)構(gòu)時，必須采用適當(dāng)?shù)膶?dǎo)向裝置。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結(jié)構(gòu)和抓取重量等因素加以確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)盡量減少運(yùn)動部件的重量和減少手臂對回轉(zhuǎn)中心的轉(zhuǎn)動慣量。目前采用的導(dǎo)向裝置有單導(dǎo)向桿、雙導(dǎo)向桿、四導(dǎo)向桿和其他的導(dǎo)向裝置，本機(jī)械手采用的是雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。
雙導(dǎo)向桿配置在手臂伸縮油缸兩側(cè)，并兼做手部和手腕油路的管道。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。
如圖5所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導(dǎo)向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導(dǎo)向桿尾部增設(shè)輔助支承架，以提高導(dǎo)向桿的剛性。如圖4.3.2所示，在導(dǎo)向桿1的尾端用支承架4將兩個導(dǎo)向桿連接起來，支承架的兩側(cè)安裝兩個滾動軸承2，當(dāng)導(dǎo)向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動時，支承架上的滾動軸承就在支承板3的支承面上滾動。
圖6 雙導(dǎo)向桿手臂結(jié)構(gòu)
4.2.3 手臂的升降運(yùn)動
如圖6所示為手臂的升降運(yùn)動機(jī)構(gòu)。當(dāng)升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠4做上下運(yùn)動，活塞缸體2固定在旋轉(zhuǎn)軸上。由活塞桿帶動套筒3做升降運(yùn)動。其導(dǎo)向作用靠立柱的平鍵9實現(xiàn)。圖中6為位置檢測裝置。
圖7 手臂升降和回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)圖
4.3 手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動
實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)構(gòu)形式是多種多樣的，常用的有回轉(zhuǎn)缸、齒輪傳動機(jī)構(gòu)、鏈輪傳動機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)等。本機(jī)械手采用齒條缸式臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖6所示，回轉(zhuǎn)運(yùn)動由齒條活塞桿8驅(qū)動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉(zhuǎn)動，再通過缸體上的平鍵9帶動外套一起轉(zhuǎn)動實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。
4.4 手臂的橫向移動
如圖7所示為手臂的橫向移動機(jī)構(gòu)。手臂的橫向移動是由活塞缸5來驅(qū)動的，回轉(zhuǎn)缸體與滑臺1用螺釘聯(lián)結(jié)，活塞桿4通過兩塊連接板3用螺釘固定在滑座2上。當(dāng)活塞缸5通壓力油時，其缸體就帶動滑臺1，沿著燕尾形滑座2做橫向往復(fù)運(yùn)動。
圖8 手臂橫向移動機(jī)構(gòu)
4.5 臂部運(yùn)動驅(qū)動力計算
計算臂部運(yùn)動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負(fù)荷考慮進(jìn)去。機(jī)械手工作時，臂部所受的負(fù)荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。
4.5.1 臂水平伸縮運(yùn)動驅(qū)動力的計算
手臂做水平伸縮運(yùn)動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力。其驅(qū)動力Pq可按下式計算：
Pq = Fm + Fg (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦阻力；
Fg——啟動過程中的慣性力，其大小可按下式估算：
Fg = a (N)
式中 W ——手臂伸縮部件的總重量 （N）；
g ——重力加速度（9.8m/s）;
a ——啟動過程中的平均加速度（m/s），
而 a = (m/s)
△v ——速度變化量。如果手臂從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度V時，則這個過程的速度變化量就等于手臂的工作速度；
△t ——啟動過程中所用的時間，一般為0.01∽0.5s。
當(dāng)Fm=80N,W=1098（N），△V = 500mm/s時，
Pq = 80+* =80+112=192 (N)
4.5.2 臂垂直升降運(yùn)動驅(qū)動力的計算
手臂作垂直運(yùn)動時，除克服摩擦阻力Fm和慣性力Fg之外，還要克服臂部運(yùn)動部件的重力，故其驅(qū)動力Pq可按下式計算：
Pq = Fm + Fg ± W (N)
式中 Fm——各支承處的摩擦力（N）；
Fg——啟動時慣性力（N）可按臂伸縮運(yùn)動時的情況計算；
W——臂部運(yùn)動部件的總重量（N）；
±——上升時為正，下降時為負(fù)。
當(dāng)Fm=40N，F(xiàn)g=100N，W =1098N時
Pq=40+100+1098=1238（N）
4.5.3 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩的計算
臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計算。由于啟動過程一般不是等加速度運(yùn)動，故最大驅(qū)動力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。故驅(qū)動力矩Mq可按下式計算：
Mq = 1.3(Mm + Mg ) (N·m)
式中 Mm——各支承處的總摩擦力矩；
Mg——啟動時慣性力矩，一般按下式計算：
Mg = J (N·m)
式中 J——手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（kg·m）;
——回轉(zhuǎn)手臂的工作角速度（rad/s）;
△t——回轉(zhuǎn)臂啟動時間（s）
當(dāng)Mm=84(N·m)，Mg=8=32(N·m)
Mq = 1.3*116=150.8(N·m)
對于活塞、導(dǎo)向套筒和油缸等的轉(zhuǎn)動慣量都要做詳細(xì)計算，因為這些零件的重量較大或回轉(zhuǎn)半徑較大，對總的計算結(jié)果影響也較大，對于小零件則可作為質(zhì)點計算其轉(zhuǎn)動慣量，對其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量忽略不計。對于形狀復(fù)雜的零件，可劃分為幾個簡單的零件分別進(jìn)行計算，其中有的部分可當(dāng)作質(zhì)點計算?？梢詤⒖肌豆I(yè)機(jī)器人》表4-1。
5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計
5.1液壓系統(tǒng)簡介
機(jī)械手的液壓傳動是以有壓力的油液作為傳遞動力的工作介質(zhì)。電動機(jī)帶動油泵輸出壓力油，是將電動機(jī)供給的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成油液的壓力能。壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進(jìn)入油缸，推動活塞桿運(yùn)動，從而使手臂作伸縮、升降等運(yùn)動，將油液的壓力能又轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。手臂在運(yùn)動時所能克服的摩擦阻力大小，以及夾持式手部夾緊工件時所需保持的握力大小，均與油液的壓力和活塞的有效工作面積有關(guān)。手臂做各種運(yùn)動的速度決定于流入密封油缸中油液容積的多少。這種借助于運(yùn)動著的壓力油的容積變化來傳遞動力的液壓傳動稱為容積式液壓傳動，機(jī)械手的液壓傳動系統(tǒng)都屬于容積式液壓傳動。
5.2液壓系統(tǒng)的組成
液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：
① 油泵 它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。
② 液動機(jī) 壓力油驅(qū)動運(yùn)動部件對外工作部分。手臂做直線運(yùn)動，液動機(jī)就是手臂伸縮油缸。也有回轉(zhuǎn)運(yùn)動的液動機(jī)一般叫作油馬達(dá)，回轉(zhuǎn)角小于360°的液動機(jī)，一般叫作回轉(zhuǎn)油缸（或稱擺動油缸）。
③ 控制調(diào)節(jié)裝置 各種閥類，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，各起一定作用，使機(jī)械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運(yùn)動。
5.3機(jī)械手液壓系統(tǒng)的控制回路
機(jī)械手的液壓系統(tǒng)，根據(jù)機(jī)械手自由度的多少，液壓系統(tǒng)可繁可簡，但是總不外乎由一些基本控制回路組成。這些基本控制回路具有各種功能，如工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運(yùn)動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運(yùn)動等。
5.3.1 壓力控制回路
① 調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。
② 卸荷回路 在機(jī)械手各油缸不工作時，油泵電機(jī)又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，使油泵在低負(fù)荷下工作，所以采用卸荷回路。此機(jī)械手采用二位二通電磁閥控制溢流閥遙控口卸荷回路。
③ 減壓回路 為了是機(jī)械手的液壓系統(tǒng)局部