機械手-澆注機械手4月29
機械手-澆注機械手4月29,機械手,澆注,29
畢 業(yè) 設(shè) 計 (論 文) 說 明 書
摘要
本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，澆注機械手硬件和軟件的組成，機械手各個部件的整體尺寸設(shè)計。本文著重對機械手進行總體方案設(shè)計，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的技術(shù)參數(shù)。同時，設(shè)計了機械手的夾持式手部結(jié)構(gòu)，設(shè)計了機械手的手腕結(jié)構(gòu)，計算出了手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩和回轉(zhuǎn)液壓缸的驅(qū)動力矩。設(shè)計了機械手的手臂結(jié)構(gòu)。設(shè)計出了機械手的液壓系統(tǒng)，繪制了機械手液壓系統(tǒng)工作原理圖，大大提高了繪圖效率和圖紙質(zhì)量。
關(guān)鍵詞： 工業(yè)機器人 機械手 澆注機械手
Abstract
At first, the paper introduces the conception of the industrial robot and the Eller. Dairy information of the development briefly. What’s more, the paper accounts for the background and the primary mission of the topic. The paper introduces the function, composing and classification of the manipulator, tells out the free-degree and the form of coordinate. At the same time, the paper gives out the primary specification parameter of this manipulator,The paper designs the structure of the hand and the equipment of the drive of the manipulator. This paper designs the structure of the wrist, computes the needed moment of the drive when the wrist wheels and the moment of the drive of the pump.The paper designs the structure of the arm.
KEY WORDS: industrial robot manipulator pump air pressure drive
第1章 緒言
機械工業(yè)是國民的裝備部，是為國民經(jīng)濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產(chǎn)業(yè)。不論是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，還是新興產(chǎn)業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質(zhì)量和成本，對國民經(jīng)濟各部門技術(shù)進步和經(jīng)濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術(shù)水平是衡量國家經(jīng)濟實力和科學(xué)技術(shù)水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經(jīng)濟的戰(zhàn)略重點之一。
工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產(chǎn)設(shè)備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預(yù)期的作業(yè)任務(wù)，在構(gòu)造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現(xiàn)了人的智能和適應(yīng)性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經(jīng)濟各領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。
機械手是在機械化，自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產(chǎn)線中，機械人的研制和生產(chǎn)已成為高技術(shù)鄰域內(nèi)，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術(shù)，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現(xiàn)與機械化和自動化的有機結(jié)合。機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用。
機械手技術(shù)涉及到力學(xué)、機械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。
機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。
1.1 機械手的分類
機械手一般分為三類：第一類是不需要人工操作的通用機械手。它是一種獨立的不附屬于某一主機的裝置。它可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項規(guī)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，稱為操作機。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過操作機來完成特定的作業(yè)，后來發(fā)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。這種機械手在國外稱為“Mechanical Hand”，它是為主機服務(wù)的，由主機驅(qū)動；除少數(shù)以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。
在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手是屬于第三類機械手。
1、簡史
機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械手。它的結(jié)構(gòu)是：機體上安裝一個回轉(zhuǎn)長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教形的。
1962年，美國聯(lián)合控制公司在上述方案的基礎(chǔ)上又試制成一臺數(shù)控示教再現(xiàn)型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統(tǒng)仿照坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮、用液壓驅(qū)動；控制系統(tǒng)用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機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,專門生產(chǎn)工業(yè)機械手。
1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降采用液壓驅(qū)動控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這兩種機械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(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-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯(lián)邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)。
聯(lián)邦德國KnKa公司還生產(chǎn)一種點焊機械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。
前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機械手，至1977年底，其中一半是國產(chǎn)，一半是進口。
目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機械手正在加緊研制。它設(shè)有微型電子計算控制系統(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，是機械手具有感覺機能。
第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務(wù)。它與電子計算機和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
2、 應(yīng)用簡況
現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過程的機械化，自動化已成為突出的主題。化工等連續(xù)性生產(chǎn)過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產(chǎn)是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現(xiàn)這些工序的自動化而產(chǎn)生的。
有資料統(tǒng)計：美國偏重于毛坯生產(chǎn)，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用的對象還會有所改變。
機械手在鍛造工業(yè)中的應(yīng)用能進一步發(fā)展鍛造設(shè)備的生產(chǎn)能力，改善熱、累等勞動條件。
國內(nèi)機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。
國外鐵路工業(yè)中應(yīng)用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數(shù)控加工系統(tǒng)。
采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。
3、 發(fā)展趨勢
目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數(shù)量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。
在國內(nèi)主要是逐步擴大應(yīng)用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專用機械手的同時，相應(yīng)的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構(gòu)件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構(gòu)以及根據(jù)不同類型的加緊機構(gòu)，設(shè)計成典型的通用機構(gòu)，所以便根據(jù)不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構(gòu)，即可組成不同用途的機械手。既便于設(shè)計制造，有便于更換工件，擴大應(yīng)用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。
此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統(tǒng)中的一個基本單元。
在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應(yīng)用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。
此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定成績。
視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學(xué)測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。
觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內(nèi)的壓力敏感元件產(chǎn)生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內(nèi)的敏感元件來控制，達到自動調(diào)整握力的大小?？傊S著傳感技術(shù)的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。
更重要的是將機械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而根本改變目前機械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。
1.2 機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。其組成及相互關(guān)系如下圖：
1、執(zhí)行機構(gòu)
( 如圖1.2-1所示 )
圖1.2-1
（1） 手部
手部安裝在手臂的前端。手臂的內(nèi)孔裝有轉(zhuǎn)動軸，可把動作傳給手腕，以轉(zhuǎn)動、伸屈手腕，開閉手指。
機械手手部的機構(gòu)系模仿人的手指，分為無關(guān)節(jié)，固定關(guān)節(jié)和自由關(guān)節(jié)三種。手指的數(shù)量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕?jù)夾持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應(yīng)操作需要。
本課所做的機械手采用二指形狀。
（2） 手臂
手臂有無關(guān)節(jié)和有關(guān)節(jié)手臂之分
本課所做的機械手的手臂采用無關(guān)節(jié)臂
手臂的作用是引導(dǎo)手指準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的三個自由度都需要精確的定位。
本課題所做的機械手在手臂的上升、下降、前伸、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)三個方向的定位均采用行程開關(guān)控制，以保證定位的精度。
軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機構(gòu)的支架。
2、 驅(qū)動機構(gòu)
驅(qū)動機構(gòu)主要有四種：液壓驅(qū)動、液壓驅(qū)動、電氣驅(qū)動和機械驅(qū)動。其中以液壓液壓用的最多，占90%以上，電動、機械驅(qū)動用的較少。
液壓驅(qū)動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現(xiàn)傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現(xiàn)直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現(xiàn)回轉(zhuǎn)運動。液壓驅(qū)動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統(tǒng)復(fù)雜成本較高。
液壓驅(qū)動所采用的元件為液壓缸、液壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大液壓，個別的達到8-10個大液壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現(xiàn)中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，液壓系統(tǒng)容易生銹。
為了減少停機時產(chǎn)生的沖擊，液壓系統(tǒng)裝有速度控制機構(gòu)或緩沖機構(gòu)。
電氣驅(qū)動采用的不多。現(xiàn)在都用三相感應(yīng)電動機作為動力，用大減速比減速器來驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。
電氣驅(qū)動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)可以采用統(tǒng)一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應(yīng)速度比較慢。
機械驅(qū)動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構(gòu)實現(xiàn)規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調(diào)整。
本課題所做的機械手采用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。采用手臂的左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、手臂的夾緊、放松方面。
3、 控制系統(tǒng)
機械手控制系統(tǒng)的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。
控制系統(tǒng)可根據(jù)動作的要求，設(shè)計采用數(shù)字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據(jù)規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。
1.3 應(yīng)用機械手的意義
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應(yīng)用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應(yīng)用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應(yīng)用。
在機械工業(yè)中，應(yīng)用機械手的意義可以概括如下：
一、以提高生產(chǎn)過程中的自動化程度
應(yīng)用機械手有利于實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本。
二、以改善勞動條件，避免人身事故
在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應(yīng)用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。
在一些簡單、重復(fù)，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
三、可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)
應(yīng)用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側(cè)面，同時由于應(yīng)用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側(cè)面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產(chǎn)的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產(chǎn)。
綜上所述，有效的應(yīng)用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
第2章 總體技術(shù)方案及系統(tǒng)組成
2.1 原始數(shù)據(jù)
用途：用于冷室壓鑄機澆鑄鋁合金溶液。
規(guī)格參數(shù)
澆包最大容量： 8公斤
自由度數(shù)： 3個
坐標型式： 類似球坐標
手臂運動參數(shù)：
回轉(zhuǎn)（φ）： 110°
俯仰（θ）： 54°
澆包最大傾轉(zhuǎn)角（θ1）： 70°
驅(qū)動方式： 液壓
控制方式： 繼電器固定程序控制
2.2工作要求
機械手的工藝流程：
機構(gòu)簡圖
2.3 系統(tǒng)組成
本基械手系統(tǒng)由機體，傳送機構(gòu)，動力源和控制裝置四部分組成。傳送機構(gòu)主要由伸縮臂及抓緊機構(gòu)所組成；動力源由液壓驅(qū)動和機械驅(qū)動兩種形式構(gòu)成控制裝置主要由自動控制和手動控制兩部分組成。
2.4 總體技術(shù)方案
畢業(yè)設(shè)計的目的就是要把我們所學(xué)的比較分散的知識綜合起來，并進行靈活運用?，F(xiàn)在的發(fā)展趨勢是機電一體化，因此，我們的畢業(yè)設(shè)計是要我們將“機”、“電”、“液”三者合并起來。
“機”即是指機械，機械手的動作過程可以分五部分，即機械手的上升下降、機械手的前伸后縮、機械手的加緊放松、機械手的左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、小車的前進后退。這五部分中我們靠機械完成機械手的上升下降動作，即本課題所做的機械手采用電動機帶動絲杠螺母機構(gòu)來實現(xiàn)手臂的上升、下降方面。
滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放入適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲桿傳動是帶動滾珠沿螺紋軌道滾動。滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或者其他直線運動副相比，有以下特點：
1） 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達85%-98%，為滑動絲杠副的3-4倍。
2） 運動平穩(wěn) 滾動摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時無沖擊，低速時無爬行。
3） 能源預(yù)緊 預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動精度。同時增加的摩擦力矩相對不大。
4） 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲杠副的4-10倍以上.
5） 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進行預(yù)拉伸的補償?shù)呐蛎?，因此，可以達到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。
6） 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的運動部件?？梢缘玫捷^好的同步運動。
7） 可靠性高 潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。
8） 不自鎖 用于垂直運動，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。
9） 經(jīng)濟性差，成本高 由于結(jié)構(gòu)工藝復(fù)雜，故制造成本高價格往往以 mm計。
經(jīng)過計算，選擇如下：
電動機型號： Y802-2
功率： 1.1W
絲杠型號： Tr40×7
2.4.1 動作分析
工業(yè)機械手的機械機構(gòu)是指它的執(zhí)行系統(tǒng)，是機械手抓持工件、進行操作及各種運動的機械部件。機械部件主要包括手部，手臂前后伸縮部分，手臂上下升降部分腰轉(zhuǎn)部分以及機座和行走機構(gòu)。
2.4.2 手部
手部：包括杠桿手指，單向作用式握緊油缸等。其工作原理：物體進入手指后，拉桿手油缸作用，通過拉桿帶動杠桿手指回轉(zhuǎn)，實現(xiàn)握緊或松開動作。
1) 手臂的前后伸縮部分
手臂的前后伸縮部分由直線油缸帶動實現(xiàn)。
當(dāng)直線油缸工作時通過活塞桿行程的變化，完成手臂的伸縮運動。
2) 手臂的上下升降部分
手臂的上下升降部分是由電動機、絲桿傳動副、立柱等部分組成。
當(dāng)電動機工作時，通過聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動絲桿，由于絲桿螺母周受到立柱的徑向轉(zhuǎn)動限制，使得螺母及手臂架只能作上下運動。
3) 腰轉(zhuǎn)部分
腰轉(zhuǎn)部分主要由轉(zhuǎn)盤和回轉(zhuǎn)油缸組成。
當(dāng)壓力油進入回轉(zhuǎn)油缸時，回轉(zhuǎn)油缸的回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)，通過活塞桿的伸縮帶動轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)機械手的左右轉(zhuǎn)動，
4) 行走機構(gòu)
行走機構(gòu)主要是由電動機、齒輪、帶輪等組成。
當(dāng)電動機工作時，通過齒輪、帶輪的傳動，帶動小車的輪子轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)行走。
第3章 手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 夾持式手部結(jié)構(gòu)
夾持式手部結(jié)構(gòu)由手指(或手爪)和傳力機構(gòu)所組成。其傳力結(jié)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。
3.1.1手指的形狀和分類
夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內(nèi)卡式(或內(nèi)漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉(zhuǎn)型，二支點回轉(zhuǎn)型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉(zhuǎn)型為基本型式。當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的兩個回轉(zhuǎn)支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉(zhuǎn)型手指;同理，當(dāng)二支點回轉(zhuǎn)型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D(zhuǎn)型手指開閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應(yīng)用廣泛。移動型應(yīng)用較少，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜龐大，當(dāng)移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應(yīng)不同直徑的工件。
3.1.2 設(shè)計時考慮的幾個問題
(一)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。
(二)手指間應(yīng)具有一定的開閉角
兩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。手指的開閉角應(yīng)保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。
(三)保證工件準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，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。
(四)具有足夠的強度和剛度
手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機械手在運動過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，當(dāng)應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉(zhuǎn)軸線上，以使手腕的扭轉(zhuǎn)力矩最小為佳。
(五)考慮被抓取對象的要求
根據(jù)機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結(jié)構(gòu)是一支點， 兩指回轉(zhuǎn)型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設(shè)計成V型，其結(jié)構(gòu)如附圖所示。
3.1.3手部夾緊液壓缸的設(shè)計
1、手部驅(qū)動力計算
本課題液壓機械手的手部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示：
圖3-1齒輪齒條式手部
其工件重量G=8公斤，
V形手指的角度，,摩擦系數(shù)為
(1)根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖，其驅(qū)動力為:
(2)根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:
所以
(3)實際驅(qū)動力:
1、因為傳力機構(gòu)為齒輪齒條傳動，故取，并取。若被抓取工件的最大加速度取時，則:
所以
所以夾持工件時所需夾緊液壓缸的驅(qū)動力為。
2、液壓缸的直徑
本液壓缸屬于單向作用液壓缸。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為:
式中: - 活塞桿上的推力，N
- 彈簧反作用力，N
- 液壓缸工作時的總阻力，N
- 液壓缸工作壓力，Pa
彈簧反作用按下式計算:
Gf =
式中:- 彈簧剛度，N/m
- 彈簧預(yù)壓縮量，m
- 活塞行程，m
- 彈簧鋼絲直徑，m
- 彈簧平均直徑，.
- 彈簧有效圈數(shù).
- 彈簧材料剪切模量，一般取
在設(shè)計中，必須考慮負載率的影響，則:
由以上分析得單向作用液壓缸的直徑:
代入有關(guān)數(shù)據(jù)，可得
所以:
查有關(guān)手冊圓整，得
由,可得活塞桿直徑:
圓整后，取活塞桿直徑校核，按公式
有:
其中，[]，
則:
滿足實際設(shè)計要求。
3、缸筒壁厚的設(shè)計
缸筒直接承受壓縮壓力，必須有一定厚度。一般液壓缸缸筒壁厚與內(nèi)徑之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式計算:
式中:6- 缸筒壁厚，mm
- 液壓缸內(nèi)徑，mm
- 實驗壓力，取, Pa
材料為:ZL3,[]=3MPa
代入己知數(shù)據(jù)，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
第4章 手腕結(jié)構(gòu)設(shè)計
4.1 手腕的自由度
手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關(guān)。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設(shè)一繞x軸轉(zhuǎn)動回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)，應(yīng)用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，因此我們選用回轉(zhuǎn)液壓缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，但回轉(zhuǎn)角度小于，并且要求嚴格的密封。
4.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算
4.2.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩
手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運動，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，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)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩.圖4-1所示為手腕受力的示意圖。
1.工件2.手部3.手腕
圖4-1手碗回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)
手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算:
式中: - 驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩();
- 慣性力矩();
- 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩().
- 手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力
矩();
下面以圖4-1所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:
1、手腕加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M悅
若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉(zhuǎn)動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則:
式中:- 參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量;
- 工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量。
若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量為:
式中: - 工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量:
- 工件的重量(N);
- 工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm),
- 手腕轉(zhuǎn)動時的角速度(弧度/s);
- 起動過程所需的時間(s);
— 起動過程所轉(zhuǎn)過的角度(弧度)。
2、手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏
+ ()
式中: - 手腕轉(zhuǎn)動件的重量(N);
- 手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距(cm)
當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則.
3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩
()
式中: ，- 轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑(cm);
- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承;
,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解，
根據(jù),得:
同理，根據(jù)(F),得:
式中:- 的重量(N)
,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm).
4、轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。
4.2.2回轉(zhuǎn)液壓缸的驅(qū)動力矩計算
在機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動中所采用的回轉(zhuǎn)缸是單葉片回轉(zhuǎn)液壓缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉(zhuǎn)軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當(dāng)壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉(zhuǎn)，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉液壓缸的壓力P驅(qū)動力矩M的關(guān)系為:
或
4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及其校核
1.尺寸設(shè)計
液壓缸長度設(shè)計為,液壓缸內(nèi)徑為=96mm,半徑,軸徑=26mm,半徑,液壓缸運行角速度=，加速度時間=0.1s, 壓強,
則力矩：
2.尺寸校核
（1）測定參與手腕轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
（）
工件的質(zhì)量為5,質(zhì)量分布于長的棒料上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
假如工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距
，其轉(zhuǎn)動慣量為:
（2）手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉(zhuǎn)動件重心
與轉(zhuǎn)動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉(zhuǎn)動軸線,則：
+
（3）手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為，對于滾動軸承，對于滑動軸承=0.1， ，為手腕轉(zhuǎn)動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計,,
4．回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關(guān)，應(yīng)根據(jù)具體情況加以分析。在此處估計為的3倍，
3
設(shè)計尺寸符合使用要求，安全。
第5章 手臂伸縮，升降，回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸設(shè)計與校核
5.1 手臂伸縮液壓缸的尺寸設(shè)計與校核
5.1.1 手臂伸縮液壓缸的尺寸設(shè)計
手臂伸縮液壓缸采用煙臺液壓元件廠生產(chǎn)的標準液壓缸，參看此公司生產(chǎn)的各種型號的結(jié)構(gòu)特點，尺寸參數(shù)，結(jié)合本設(shè)計的實際要求，液壓缸用CTA型液壓缸，尺寸系列初選內(nèi)徑為100/63.
5.1.2 尺寸校核
1. 在校核尺寸時，只需校核液壓缸內(nèi)徑=63mm,半徑R=31.5mm的液壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設(shè)計使用壓強,
則驅(qū)動力：
2．測定手腕質(zhì)量為50kg,設(shè)計加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定摩擦系數(shù),
總受力
所以標準CTA液壓缸的尺寸符合實際使用驅(qū)動力要求。
5.1.3 導(dǎo)向裝置
液壓驅(qū)動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉(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作用，以增加手臂的剛性，在設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)時，應(yīng)該采用導(dǎo)向裝置。具體的安裝形式應(yīng)該根據(jù)本設(shè)計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局上應(yīng)該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。
導(dǎo)向桿目前常采用的裝置有單導(dǎo)向桿，雙導(dǎo)向桿，四導(dǎo)向桿等，在本設(shè)計中才用單導(dǎo)向桿來增加手臂的剛性和導(dǎo)向性。
5.1.4 平衡裝置
在本設(shè)計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側(cè)重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮液壓缸一側(cè)加裝平衡裝置，裝置內(nèi)加放砝碼，砝碼塊的質(zhì)量根據(jù)抓取物體的重量和液壓缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務(wù)求使兩端盡量接近平衡。
5.2 手臂升降液壓缸的尺寸設(shè)計與校核
5.2.1 尺寸設(shè)計
液壓缸運行長度設(shè)計為=118mm,液壓缸內(nèi)徑為=110mm,半徑R=55mm,液壓缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅(qū)動力：
5.2.2 尺寸校核
1．測定手腕質(zhì)量為80kg,則重力：
2．設(shè)計加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù)，
總受力
所以設(shè)計尺寸符合實際使用要求。
5.3 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸的尺寸設(shè)計與校核
5.3.1 尺寸設(shè)計
液壓缸長度設(shè)計為,液壓缸內(nèi)徑為,半徑R=105mm,軸徑半徑,液壓缸運行角速度=，加速度時間0.5s,壓強,
則力矩：
5.3.2 尺寸校核
1．測定參與手臂轉(zhuǎn)動的部件的質(zhì)量,分析部件的質(zhì)量分布情況，
質(zhì)量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉(zhuǎn)動慣量：
（）
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設(shè)定一摩擦系數(shù),
總驅(qū)動力矩：
設(shè)計尺寸滿足使用要求。
總結(jié)
此次我們做的畢業(yè)設(shè)計是機械手結(jié)構(gòu)的設(shè)計，通過3個多月努力，設(shè)計終于順利完成。這次設(shè)計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設(shè)計工作的基本流程和設(shè)計的方法以及理念。
在此次的畢業(yè)設(shè)計中，我們遇到了許多以前從未遇到過的問題，但過通過指導(dǎo)教師的指導(dǎo)和我們的努力，這些問題都得到了很好的解決。
畢業(yè)設(shè)計過程中，我們在獨立完成的同時也進一步加強了團隊協(xié)作精神，并取得了一定的成績。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我相信在以后的學(xué)習(xí)和工作過程中，一定可以好好的解決問題，提高自己的能力，較快地適應(yīng)工作和社會激烈的競爭。
在本設(shè)計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，我學(xué)到許多新知識，但是也發(fā)現(xiàn)了不少存在的問題。在這次的畢業(yè)設(shè)計中，能否看懂圖紙是關(guān)鍵，要了解圖紙上所標注的是何含義，有何作用。
這次畢業(yè)設(shè)計是我們在學(xué)校的最后一次課。它將我們平時所學(xué)相互結(jié)合起來，為我們將來進入工作做準備。它讓我們了解了更多的新知識。
感謝老師、系領(lǐng)導(dǎo)和學(xué)校的關(guān)心和指導(dǎo)，在設(shè)計過程中，結(jié)合工作體會和經(jīng)歷，為我完成設(shè)計給予了極大的幫助，為我們上了最后一次重要的課程。
致 謝
在本設(shè)計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，得到了老師的親切關(guān)懷和精心指導(dǎo)，使得本設(shè)計得以順利完成，其中飽含了老師的汗水和心血。老師敏銳的學(xué)術(shù)思想、嚴謹踏實的治學(xué)態(tài)度、淵博的學(xué)識、精益求精的工作作風(fēng)、誨人不倦的育人精神，將永遠銘記在學(xué)生心中，使學(xué)生終生受益。在此我們向老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。同時也感謝班主任老師在這幾年來對我們的虛心的教導(dǎo)。
感謝學(xué)校給我們提供設(shè)計場地，和系領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和指導(dǎo)，在設(shè)計過程中，結(jié)合工作體會和經(jīng)歷，提出了許多建設(shè)性的觀點，為我完成設(shè)計給予了極大的幫助。
感謝機電工程系的領(lǐng)導(dǎo)和老師對我的關(guān)心和幫助。
再次感謝所有支持和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)們。
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