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)設計
設計內容：壓鑄機自動澆鑄機械手
用途：用于冷室壓鑄機澆鑄鋁合金溶液。
規(guī)格參數
澆包最大容量： 8公斤
自由度數： 3個
坐標型式： 類似球坐標
手臂運動參數：
回轉（φ）： 110°
俯仰（θ）： 54°
澆包最大傾轉角（θ1）： 70°
驅動方式： 液壓
控制方式： 繼電器固定程序控制
不用做液壓和電氣控制
畢 業(yè) 設 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計。本文著重對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的坐標形式和自由度，確定了機械手的技術參數。同時，設計了機械手的夾持式手部結構，設計了機械手的手腕結構，計算出了手腕轉動時所需的驅動力矩和回轉液壓缸的驅動力矩。設計了機械手的手臂結構。設計出了機械手的液壓系統，繪制了機械手液壓系統工作原理圖，大大提高了繪圖效率和圖紙質量。
關鍵詞： 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，是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業(yè)。不論是傳統產業(yè)，還是新興產業(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、質量和成本，對國民經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。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設備。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期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現了人的智能和適應性。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，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。
機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。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用。
機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。
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。它可以根據任務的需要編制程序，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”，它是為主機服務的，由主機驅動；除少數以外，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年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統是示教形的。
1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統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、升降采用液壓驅動控制系統也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種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。聯邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。
聯邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。
前蘇聯自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產，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。它設有微型電子計算控制系統，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。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
2、 應用簡況
現代工業(yè)中，生產過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產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)機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。
有資料統計：美國偏重于毛坯生產，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術的發(fā)展，應用的對象還會有所改變。
機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。
國內機械手工業(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控加工系統。
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。
在國內主要是逐步擴大應用范圍，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，在應用專用機械手的同時，相應的發(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。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。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。
此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，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，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小。總之，隨著傳感技術的發(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、柔性制造系統和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統的人工操作狀態(tài)。
1.2 機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。其組成及相互關系如下圖：
1、執(zhí)行機構
( 如圖1.2-1所示 )
圖1.2-1
（1） 手部
手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔裝有轉動軸，可把動作傳給手腕，以轉動、伸屈手腕，開閉手指。
機械手手部的機構系模仿人的手指，分為無關節(jié)，固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕A持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作需要。
本課所做的機械手采用二指形狀。
（2） 手臂
手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分
本課所做的機械手的手臂采用無關節(jié)臂
手臂的作用是引導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、右轉三個方向的定位均采用行程開關控制，以保證定位的精度。
軀干是安裝手臂、動力源和執(zhí)行機構的支架。
2、 驅動機構
驅動機構主要有四種：液壓驅動、液壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓液壓用的最多，占90%以上，電動、機械驅動用的較少。
液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現回轉運動。液壓驅動的優(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，系統復雜成本較高。
液壓驅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，液壓系統容易生銹。
為了減少停機時產生的沖擊，液壓系統裝有速度控制機構或緩沖機構。
電氣驅動采用的不多?，F在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構；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。
電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅動機構和控制系統可以采用統一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。
機械驅動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調整。
本課題所做的機械手采用電動機帶動絲杠螺母機構來實現手臂的上升、下降方面。采用手臂的左轉、右轉、手臂的夾緊、放松方面。
3、 控制系統
機械手控制系統的要素，包括工作順序、到達位置、動作時間和加速度等。
控制系統可根據動作的要求，設計采用數字順序控制。它首先要編制程序加以存儲，然后再根據規(guī)定的程序，控制機械手進行工作。
1.3 應用機械手的意義
隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應用。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用。
在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：
一、以提高生產過程中的自動化程度
應用機械手有利于實現材料的傳送、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率和降低生產成本。
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，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
應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。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的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。
綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
第2章 總體技術方案及系統組成
2.1 原始數據
用途：用于冷室壓鑄機澆鑄鋁合金溶液。
規(guī)格參數
澆包最大容量： 8公斤
自由度數： 3個
坐標型式： 類似球坐標
手臂運動參數：
回轉（φ）： 110°
俯仰（θ）： 54°
澆包最大傾轉角（θ1）： 70°
驅動方式： 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：
機構簡圖
2.3 系統組成
本基械手系統由機體，傳送機構，動力源和控制裝置四部分組成。傳送機構主要由伸縮臂及抓緊機構所組成；動力源由液壓驅動和機械驅動兩種形式構成控制裝置主要由自動控制和手動控制兩部分組成。
2.4 總體技術方案
畢業(yè)設計的目的就是要把我們所學的比較分散的知識綜合起來，并進行靈活運用。現在的發(fā)展趨勢是機電一體化，因此，我們的畢業(yè)設計是要我們將“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、機械手的左轉右轉、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來實現手臂的上升、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) 滾動摩擦系數接近常數，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） 能源預緊 預緊后可消除間隙產生過盈，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，通過預緊進行預拉伸的補償的膨脹，因此，可以達到較高的定位精度和重復定位精度。
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。可以得到較好的同步運動。
7） 可靠性高 潤滑密封裝置結構簡單，維修方便。
8） 不自鎖 用于垂直運動，必須在系統中附加自鎖或制動裝置。
9） 經濟性差，成本高 由于結構工藝復雜，故制造成本高價格往往以 mm計。
經過計算，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)機械手的機械機構是指它的執(zhí)行系統，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部分以及機座和行走機構。
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，實現握緊或松開動作。
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。
當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。
當電動機工作時，通過聯軸器轉動絲桿，由于絲桿螺母周受到立柱的徑向轉動限制，使得螺母及手臂架只能作上下運動。
3) 腰轉部分
腰轉部分主要由轉盤和回轉油缸組成。
當壓力油進入回轉油缸時，回轉油缸的回轉軸回轉，通過活塞桿的伸縮帶動轉盤的轉動，從而實現機械手的左右轉動，
4) 行走機構
行走機構主要是由電動機、齒輪、帶輪等組成。
當電動機工作時，通過齒輪、帶輪的傳動，帶動小車的輪子轉動，從而實現行走。
第3章 手部結構設計
3.1 夾持式手部結構
夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力結構形式比較多，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卡式(或內漲式)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型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化的零件時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。
3.1.2 設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，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產生松動或脫落。
(二)手指間應具有一定的開閉角
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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應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，必須根據被抓取工件的形狀，選擇相應的手指形狀。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，當應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以使手腕的扭轉力矩最小為佳。
(五)考慮被抓取對象的要求
根據機械手的工作需要，通過比較，我們采用的機械手的手部結構是一支點， 兩指回轉型，由于工件多為圓柱形，故手指形狀設計成V型，其結構如附圖所示。
3.1.3手部夾緊液壓缸的設計
1、手部驅動力計算
本課題液壓機械手的手部結構如圖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，,摩擦系數為
(1)根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為:
(2)根據手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:
所以
(3)實際驅動力:
1、因為傳力機構為齒輪齒條傳動，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.
- 彈簧材料剪切模量，一般取
在設計中，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:
代入有關數據，可得
所以:
查有關手冊圓整，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:
滿足實際設計要求。
3、缸筒壁厚的設計
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
- 液壓缸內徑，mm
- 實驗壓力，取, Pa
材料為:ZL3,[]=3MPa
代入己知數據，則壁厚為:
取，則缸筒外徑為:
第4章 手腕結構設計
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，以使機械手適應復雜的動作要求。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。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，因此給手腕設一繞x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油(氣)缸，因此我們選用回轉液壓缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于，并且要求嚴格的密封。
4.2 手腕的驅動力矩的計算
4.2.1手腕轉動時所需的驅動力矩
手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉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動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩.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手碗回轉時受力狀態(tài)
手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算:
式中: - 驅動手腕轉動的驅動力矩();
- 慣性力矩();
- 參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、手腕回轉缸的動片)對轉動軸線所產生的偏重力矩().
- 手腕回轉缸的動片與定片、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生的慣性力矩M悅
若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則:
式中:- 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量;
- 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量。
若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量為:
式中: - 工件對過重心軸線的轉動慣量:
- 工件的重量(N);
- 工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm),
- 手腕轉動時的角速度(弧度/s);
- 起動過程所需的時間(s);
— 起動過程所轉過的角度(弧度)。
2、手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏
+ ()
式中: - 手腕轉動件的重量(N);
- 手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)
當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則.
3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩
()
式中: ，- 轉動軸的軸頸直徑(cm);
- 摩擦系數，對于滾動軸承，對于滑動軸承;
,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉動軸的受力分析求解，
根據,得:
同理，根據(F),得:
式中:- 的重量(N)
,— 如圖4-1所示的長度尺寸(cm).
4、轉缸的動片與缸徑、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，應根據具體情況加以分析。
4.2.2回轉液壓缸的驅動力矩計算
在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉液壓缸，它的原理如圖4-2所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮氣體從孔a進入時，推動輸出軸作逆時4回轉，則低壓腔的氣從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉液壓缸的壓力P驅動力矩M的關系為:
或
4.2.3 手腕回轉缸的尺寸及其校核
1.尺寸設計
液壓缸長度設計為,液壓缸內徑為=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）測定參與手腕轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，
質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：
（）
工件的質量為5,質量分布于長的棒料上，那么轉動慣量：
假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長的棒料來說，最大偏心距
，其轉動慣量為:
（2）手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩為M偏，考慮手腕轉動件重心
與轉動軸線重合，，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線,則：
+
（3）手腕轉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， ，為手腕轉動軸的軸頸直徑，, , ,為軸頸處的支承反力，粗略估計,,
4．回轉缸的動片與缸徑、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，應根據具體情況加以分析。在此處估計為的3倍，
3
設計尺寸符合使用要求，安全。
第5章 手臂伸縮，升降，回轉液壓缸的尺寸設計與校核
5.1 手臂伸縮液壓缸的尺寸設計與校核
5.1.1 手臂伸縮液壓缸的尺寸設計
手臂伸縮液壓缸采用煙臺液壓元件廠生產的標準液壓缸，參看此公司生產的各種型號的結構特點，尺寸參數，結合本設計的實際要求，液壓缸用CTA型液壓缸，尺寸系列初選內徑為100/63.
5.1.2 尺寸校核
1. 在校核尺寸時，只需校核液壓缸內徑=63mm,半徑R=31.5mm的液壓缸的尺寸滿足使用要求即可,設計使用壓強,
則驅動力：
2．測定手腕質量為50kg,設計加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數,
總受力
所以標準CTA液壓缸的尺寸符合實際使用驅動力要求。
5.1.3 導向裝置
液壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，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，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。
導向桿目前常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中才用單導向桿來增加手臂的剛性和導向性。
5.1.4 平衡裝置
在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮液壓缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，砝碼塊的質量根據抓取物體的重量和液壓缸的運行參數視具體情況加以調節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。
5.2 手臂升降液壓缸的尺寸設計與校核
5.2.1 尺寸設計
液壓缸運行長度設計為=118mm,液壓缸內徑為=110mm,半徑R=55mm,液壓缸運行速度，加速度時間=0.1s,壓強p=0.4MPa,則驅動力：
5.2.2 尺寸校核
1．測定手腕質量為80kg,則重力：
2．設計加速度，則慣性力：
3.考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數，
總受力
所以設計尺寸符合實際使用要求。
5.3 手臂回轉液壓缸的尺寸設計與校核
5.3.1 尺寸設計
液壓缸長度設計為,液壓缸內徑為,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．測定參與手臂轉動的部件的質量,分析部件的質量分布情況，
質量密度等效分布在一個半徑的圓盤上，那么轉動慣量：
（）
考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數,
總驅動力矩：
設計尺寸滿足使用要求。
總結
此次我們做的畢業(yè)設計是機械手結構的設計，通過3個多月努力，設計終于順利完成。這次設計給了我們一個很好的機會，使我們了解了設計工作的基本流程和設計的方法以及理念。
在此次的畢業(yè)設計中，我們遇到了許多以前從未遇到過的問題，但過通過指導教師的指導和我們的努力，這些問題都得到了很好的解決。
畢業(yè)設計過程中，我們在獨立完成的同時也進一步加強了團隊協作精神，并取得了一定的成績。通過這次畢業(yè)設計，我相信在以后的學習和工作過程中，一定可以好好的解決問題，提高自己的能力，較快地適應工作和社會激烈的競爭。
在本設計的開題論證、課題研究、論文撰寫和論文審校整個過程中，我學到許多新知識，但是也發(fā)現了不少存在的問題。在這次的畢業(yè)設計中，能否看懂圖紙是關鍵，要了解圖紙上所標注的是何含義，有何作用。
這次畢業(yè)設計是我們在學校的最后一次課。它將我們平時所學相互結合起來，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、系領導和學校的關心和指導，在設計過程中，結合工作體會和經歷，為我完成設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懷和精心指導，使得本設計得以順利完成，其中飽含了老師的汗水和心血。老師敏銳的學術思想、嚴謹踏實的治學態(tài)度、淵博的學識、精益求精的工作作風、誨人不倦的育人精神，將永遠銘記在學生心中，使學生終生受益。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。
感謝學校給我們提供設計場地，和系領導的關心和指導，在設計過程中，結合工作體會和經歷，提出了許多建設性的觀點，為我完成設計給予了極大的幫助。
感謝機電工程系的領導和老師對我的關心和幫助。
再次感謝所有支持和幫助過我的領導、老師、同學們。
參考文獻
1、楊黎明.機械零件設計手冊.第一版.國防工業(yè)出版社,1986,12
2、吳宗澤.機械設計. 第一版.中央廣播電視大學出版社,1998,2
3、盧頌峰.機械設計課程設計手冊. 第一版.中央廣播電視大學出版社,1998,4
4、非標準零件手冊.第三版.國防工業(yè)出版社
5、液壓與液壓傳動.機械工業(yè)出版社
6、機械手及其應用.機械工業(yè)出版社
7、液壓元件樣本.機械工業(yè)出版社
8、楊長能, 張興毅.可編程序控制器基礎及應用. 第一版.重慶大學出版社,1992,1
9、左建民.液壓與液壓傳動.第二版.北京:機械工業(yè)出版社,1999,5
10、孫燕華.AutoCAD2000機械制圖.北京:機械工業(yè)出版社,2002,9
11、顧京.數控加工編程及操作.北京:高等教育出版社,2003,9
12、陳立德.機械設計基礎課程設計指導書.第二版.北京:高等教育出版社,2004,6
13、金大鷹.機械制圖.北京:機械工業(yè)出版社,2001,7
14、柴鵬飛.機械設計基礎.北京:機械工業(yè)出版社，2004,8
15.張建民.工業(yè)機器人.北京:北京理工大學出版社，1988
16.蔡自興.機器人學的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略.機器人技術，2001, 4
17.金茂青，曲忠萍，張桂華.國外工業(yè)機器人發(fā)展勢態(tài)分析.機器人技術與應用 ，2001
18.嚴學高，孟正大.機器人原理.南京:東南大學出版社，1992
19.機械設計師手冊.北京:機械工業(yè)出版社，1986
20.黃錫愷，鄭文偉.機械原理.北京:人民教育出版社，1981
21.成大先.機械設計圖冊.北京:化學工業(yè)出版社
22.張璐，李衛(wèi)民，吳鳳杰，液壓油缸密封可靠性研究與結構的統一，遼寧工學院學報，2006（10）。
23.張勇，利用AutoCAD 構造機械油缸產品設計系統，攀枝花大學學報，2001（19）。
24.張璐，李衛(wèi)民，吳鳳杰，液壓油缸密封可靠性研究與結構的統一，遼寧工學院學報，2006（5）。
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