機械手的設計

1、河南質(zhì)量工程職業(yè)學院 機電一體化技術(shù)專業(yè)畢業(yè)設計(論文) 河南質(zhì)量工程職業(yè)學院 畢 業(yè) 設 計（論 文） 題 目機械手的機械設計系 別機電工程系專 業(yè)機電一體化技術(shù)班 級2011機電設備2班學生姓名孫亞賓學 號0208110211指導教師沈羽定稿日期2014 年3 月 29 日目 錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract:1Key words:11引言21.1機械手的基本概念21.2 國內(nèi)外的發(fā)展狀況21.3機械手特點、研究意義21. 3.1 機械手的特點21.3.2機械手的研究意義31.4機械手的組成31.4.1機械手的組成32機械手總體結(jié)構(gòu)的確定42.1 機械手的運動自由度42.2 工作空間的確定

2、42.3額定負載的確定42.4機械手結(jié)構(gòu)形式的確定42.5運動速度52.6 定位精度62.7 機械手的技術(shù)參數(shù)列表63.手部結(jié)構(gòu)設計73.1夾持式手部結(jié)構(gòu)73.1.1手指的形狀和分類73.1.2設計時考慮的幾個問題73.1.3手部夾緊油缸的設計84、手腕結(jié)構(gòu)設計104.1 手腕的自由度104.2 手腕的驅(qū)動力矩的計算114.2.2回轉(zhuǎn)油缸的驅(qū)動力矩計算134.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及135.手臂伸縮，升降，尺寸設計與校核145.1手臂伸縮油缸的尺寸設計與校核145.1.1 手臂伸縮油缸的尺寸設計145.1.2 尺寸校核145.1.3導向裝置16245.1.4 平衡裝置16結(jié)論17參考文獻18

3、致謝19機械手的機械設計機電一體化專業(yè) 孫亞賓指導教師 沈羽摘要:工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產(chǎn)設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。主要敘述了機械手的設計計算過程。本文比較全面地討論了工業(yè)機械手的手部和腕部、手臂伸縮機構(gòu)以及上升和回轉(zhuǎn)機構(gòu)等主要部件的結(jié)構(gòu)設計。并在最后做了一些液壓控制方面的設計，繪制了液壓系統(tǒng)圖等。工業(yè)機械手是近代自動控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一項新技術(shù)，并已成為現(xiàn)代機械制造生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術(shù)發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)等科學領(lǐng)域，是一門跨學科綜合

4、技術(shù)。關(guān)鍵詞:機械手;液壓;自由度；Mechanical design of manipulatorCurriculum Of Mechanical And Electrical Integration SunyabinTutor ShenyuAbstract:Industrial robot is developed in recent decades as a high-tech automated production equipment. Industrial robot manipulator is an important branch of industry. Mainly de

5、scribes the design of the mechanical hand calculation. This more comprehensive discussion of the industrial robot hand and wrist, arm stretching up and rotating bodies and agencies and other major components of the structural design. Made in the final design of a number of hydraulic control, hydraul

6、ic system drawn maps. Modern automatic control of industrial robots is a new emerging field of technology, and has become a modern mechanism in the production system is an important part, this new technology has developed rapidly, and gradually become a new subject - Mechanical hand . Manipulator in

7、volves mechanics, mechanics, electric and hydraulic technology, automatic control technology, sensor technology and computer technology fields of science, is a cross-disciplinary technology.Key words: Manipulator，Hydraulic，F(xiàn)reedom.1、引言1.1機械手的基本概念機械手，屬工業(yè)機器人的范疇，機器人學是近幾十年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算

8、機科學、自動控制以及人工智能等多種學科的最新研究成果，體現(xiàn)了光機電一體化技術(shù)的最新成就，是當代科學技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術(shù)發(fā)展的重要課題?！皺C械手”（Machanical Hand）：多數(shù)指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內(nèi)一般稱作機械手或?qū)Ｓ脵C械手）。1.2 國內(nèi)外的發(fā)展狀況專用機械手經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今已進入了以通用機械手為標志的時代。通用機械手可以應用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設計的成本。由于通用機械手的發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。通用機械手涉及的內(nèi)容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用了一些電子技術(shù)、電視

9、技術(shù)、通訊技術(shù)、計算技術(shù)、無線電控制、仿生學等，因此它是一項綜合性較強的技術(shù)。目前國內(nèi)外對發(fā)展這一技術(shù)都很重視。幾十年來，這項技術(shù)的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷的修改，品種在不斷的增加，應用領(lǐng)域在不斷的擴大。雖然在這方面相對于發(fā)達國家還有點落后，但是國內(nèi)現(xiàn)在也越來越感覺到機械手的重要性，國家大力支持相關(guān)的設計及產(chǎn)品的開發(fā)。在機器人的發(fā)展以及機械手的設計上也取得了一定的成果，國內(nèi)每年都將舉行機器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作。目前國內(nèi)外的發(fā)展趨勢是：(1)研制有更多自由度的液壓機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。(2)研制帶有行走機構(gòu)的機械手，這種機械手可以從

10、一個工作地點移動到另一個工作地點。(3)研制維修維護方便的通用機械手。(4)研制能自動編制和自動改變程序的通用機械手。(5)研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手。這種機械手具有各種傳感裝置，并配有計算機。根據(jù)仿生學的理論，用計算機充當其大腦，使它進行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進行應答，用熱電偶和電阻應變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構(gòu)腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊語言對其下達命令，布置任務，使自動化生產(chǎn)線成為智能化生產(chǎn)線。(6)機械手的外觀達到美觀的要求，盡量用最簡單的結(jié)構(gòu)和設備能完成更加多的動作。(7)研制具有柔性系統(tǒng)的通用機械手

11、目前，在國外廣泛應用的再現(xiàn)式通用機械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預先編好的，或由人在工作之前領(lǐng)動一次，而后機械手可以按領(lǐng)動的工作內(nèi)容正確進行再現(xiàn)動作。如果把這種再現(xiàn)式通用機械手稱為第二代機械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機械手正在朝著一種可以存儲大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機械手具有比原來的更多的自由度?，F(xiàn)在國內(nèi)具有越來越強的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來，我國一定能夠趕上并將且超越發(fā)達國家在機械手乃至整個機械方面處于領(lǐng)先地位。1.3機械手特點、研究意義1. 3.1 機械手的特點(1)通用性機器人的通用性指具有執(zhí)行不同

12、功能和完成多樣簡單任務的實際能力；通用性也意味著，機器人是可變的幾何結(jié)構(gòu)?；蛘哒f在機械結(jié)構(gòu)上允許機器人執(zhí)行不同的任務或以不同的方式完成同一工作。(2)適應性機器人的適應性是指具有對環(huán)境的自適應能力，及機器人能夠自主執(zhí)行實現(xiàn)經(jīng)規(guī)劃的中間任務，而不管執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預計到的環(huán)境變化。1.3.2機械手的研究意義隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，機械手的應用也越來越廣泛。在機械工業(yè)中，大量應用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機械加工以及裝配等工種。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工種中也均有應用。在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：(1)可以提高生產(chǎn)過程的自動化程度。(2)應用機械手有利于在自動

13、生產(chǎn)線中實現(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程度，從而提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。(3)可以改善勞動條件，避免人身事故。應用機械手在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質(zhì)的環(huán)境場合可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。(4)可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。應用機械手代替人手進行作業(yè)，這是直接減少人力的一個重要方面。(5)運用機械手可以實現(xiàn)連續(xù)的生產(chǎn)，而大大提高在生產(chǎn)線的工作的時間，從而能大幅提高勞動的生產(chǎn)率。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。1.4機械手的組成1.4.1機械手的組成機械手主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)

14、以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關(guān)系如方框圖1-1所示。控制系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)位置檢測裝置圖1-1 機械手的組成示意圖2、機械手總體結(jié)構(gòu)的確定2.1 機械手的運動自由度物體上任何一點都與坐標軸的正交集合有關(guān)。物體能夠?qū)ψ鴺讼颠M行獨立運動的數(shù)目稱為自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物體運動所需的獨立坐標數(shù)，三維空間需要6個自由度。物體所能進行的運動有沿著坐標軸的三個平移自由度和繞坐標軸的三個旋轉(zhuǎn)自由度。一般固定程序的機械手，動作比較簡單，自由度數(shù)較少。工業(yè)機器人自由度數(shù)較多，動作靈活性和通用性較大。一般說來，機器人靠近機座的3個自由度是用來實現(xiàn)手臂末

15、端的空間位置的，再用幾個自由度來定出末端執(zhí)行器的方位；7個以上的自由度是冗余自由度，是用來躲避障礙物的。自由度的選擇也與生產(chǎn)要求有關(guān)，若批量大，操作可靠性要求高，運行速度快，周圍設備構(gòu)成比較復雜，工件質(zhì)量輕時，機械手的自由度數(shù)可少；如果要便于產(chǎn)品更換，增加柔性，則機械手的自由度要多一些。計算機械手的自由度時，末端執(zhí)行器的夾持器動作是不計入的，因為這個動作不改變工件的位置和姿態(tài)。在滿足機械手工作要求前提下，為簡化機械手的結(jié)構(gòu)和控制，應使自由度數(shù)最少。 本設計的通用機械手的結(jié)構(gòu)相對比較簡單，自由度選擇為四個。分別為大臂回轉(zhuǎn)、大臂升降、小臂回轉(zhuǎn)和小臂伸縮。分別由大臂回轉(zhuǎn)油缸、大臂升降油缸、小臂回轉(zhuǎn)油

16、缸和小臂伸縮油缸控制。2.2 工作空間的確定工作空間是指機械手正常工作時，手腕參考點在空間活動的最大范圍，依據(jù)機械手工作范圍和運動軌跡確定。工作空間大小不僅與機器人各桿件尺寸有關(guān)，而且也與它的總體構(gòu)形有關(guān)。在工作空間內(nèi)要考慮桿件自身的干涉，防止與作業(yè)環(huán)境發(fā)生碰撞。此外在工作空間內(nèi)某些位置，機械手不可能達到預定的速度，甚至不能在某些方向上運動，即所謂工作空間的奇異性。本機械手的工作空間要求為：手臂伸縮行程范圍0500mm，手臂升降行程范圍最大0100mm，手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0220。 2.3額定負載的確定承載能力說明機械手搬運重物的能力，負載大小主要考慮機械手各運動軸上的受力和力矩，末端執(zhí)行器的重

17、量，抓取工件的重量，以及由運動速度變化而產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩。本設計要求能夾持重量為50N的物體，考慮末端執(zhí)行器的重量及各運動軸上的受力和力矩，以及考慮足夠的安全系數(shù)，初步確定設計負載為800N。2.4機械手結(jié)構(gòu)形式的確定本畢業(yè)設計是通用機械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結(jié)構(gòu)形式方案一般有一下幾種：表2-1 機械手結(jié)構(gòu)選型表【7】結(jié)構(gòu)形式方案特點優(yōu)缺點結(jié)構(gòu)簡圖1直角坐標型作機的手臂具有三個移動關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按直角坐標配置結(jié)構(gòu)剛度較好，控制系統(tǒng)的設計最為簡單，但其占空間較大，且運動軌跡單一，使用過程中效率較低2圓柱坐標型操作機的手臂至少有一個移動關(guān)節(jié)和一個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)軸線按圓

18、柱坐標系配置結(jié)構(gòu)剛度較好，運動所需功率較小，控制難度較小，但運動軌跡簡單，使用過程中效率不高3球坐標型操作機的手臂具有兩個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié)，其軸線按極坐標系配置結(jié)構(gòu)緊湊，但其控制系統(tǒng)的設計有一定難度，且機械手臂的剛度不足，機械結(jié)構(gòu)較為復雜4關(guān)節(jié)型操作機的手臂類似人的上肢關(guān)節(jié)動作，具有三個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)運動軌跡復雜，結(jié)構(gòu)最為緊湊，但控制系統(tǒng)的設計難度大，機械手臂的剛度差2.5運動速度機器人手臂的運動速度是其主要運動參數(shù)之一。它反映了機器人手臂的作業(yè)水平，運動速度的快慢與它的驅(qū)動方式、定位方式、抓去質(zhì)量大小和行程距離有關(guān)，作業(yè)機器人手臂的運動速度應根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍、生產(chǎn)過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確

19、定。目前，工業(yè)機器人的最大直線運行速度大部分為1000mm/s左右；最大回轉(zhuǎn)速度110/s左右。在本次設計中選定手臂伸縮速度750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回轉(zhuǎn)速度110s，手腕回轉(zhuǎn)速度360/s，驅(qū)動方式為電-液伺服系統(tǒng)。作為機器人規(guī)格參數(shù)的運動速度是指全程的平均速度，實際使用速度可以在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。2.6 定位精度定位精度是衡量機器人工作質(zhì)量的又一項重要指標，一般所說的定位精度是指重復精度，與抓取質(zhì)量、運動速度、定-位方式等也有密切關(guān)系。目前，專用機械手采用固定擋塊定定位精度取決于位置控制方式及機器人本體部件的結(jié)構(gòu)剛度與精度位方式可達到較高的定位精度（大約為mm），

20、采用行程開關(guān)、電位計等電器元件控制的位置精度相對較低，大約為mm。伺服控制系統(tǒng)的機器人是一種位置跟蹤系統(tǒng)，即使在高速重載的情況下，也可不發(fā)生劇烈的沖擊和振動，因此可獲得較高的定位精度，重復定位精度最高可達到0.01mm。 2.7 機械手的技術(shù)參數(shù)列表(1)手臂力可達50N，設計載荷為800N(2)自由度數(shù) 4(3)坐標形式 圓柱坐標(4)手臂伸縮速度750 mm /s，手臂升降速度250mm/s，手臂回轉(zhuǎn)速度110s，手腕回轉(zhuǎn)速度360/s，驅(qū)動方式為電-液伺服系統(tǒng)(5)手臂伸縮行程范圍0500mm，手臂升降行程范圍最大0100mm，手臂回轉(zhuǎn)行程范圍0220(6)定位方式 行程開關(guān)或可調(diào)機械擋

21、塊等(7)定位精度 (8)驅(qū)動方式 液壓驅(qū)動3、手部結(jié)構(gòu)設計為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結(jié)構(gòu)設計成可更換結(jié)構(gòu)，當工件是棒料時，使用夾持式手部。如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結(jié)構(gòu)或電磁式吸盤結(jié)構(gòu)。手爪是機械手直接用下抓取和握緊(或吸附)工件夾持專用工具(如噴槍。扳子、焊接工具)進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機械手手臂的前端，如圖31所示為齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)。其手指夾緊工件是由夾緊氣缸1中的齒條活塞桿8在壓縮空氣作用下右移，經(jīng)齒條推動齒輪7并帶動扇形齒輪5回轉(zhuǎn)，因手指6與扇形齒輪5固結(jié)為一體，所以兩個手指同時回轉(zhuǎn)而夾緊工件。由于采用單向作用油缸，故靠彈簧3復位

22、，使手指張開。手部結(jié)構(gòu)中的齒輪齒條屬于傳力機構(gòu)。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

23、閉角較小，結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結(jié)構(gòu)比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化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(1)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(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。(3)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)

24、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。(4)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，但應盡量使結(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。(5)應考慮被抓取對象的要求 抓取形狀 手指形狀應根據(jù)工件形狀而設計。如工件為圓柱形則采用“V”形手指；圓球狀工件用圓弧形三指手指，方料用平面形手指，細絲工件用尖指勾形或細齒鉗爪手指?？傊畱鶕?jù)工件形狀來選定手指形狀。 抓取部位 抓取部位的尺寸盡可能是不變的若加

25、工后尺寸有變化，手指應能適應尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對于工件表面質(zhì)量要求高的，抓取時盡量避開高質(zhì)量表面或在手指上加軟質(zhì)墊片(如橡皮抱沫塑料石棉襯墊等)，以防夾持時損壞工件。 抓取數(shù)量 若用一對手指抓取多個工件，為了不發(fā)生個別工件的松動或脫落現(xiàn)象，在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫、塑料等 ，對于較長工件可采用雙指或多指抓取。(6)應考慮手指的多用性 手指是專用性較強的部件，為適應小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可制成組合式的手指，對于這種手指要求結(jié)構(gòu)簡單，安裝維修方便，更換迅速和準確，以便擴大機械手的使用范圍。3.1.3手部夾緊油缸的設計(1)手部驅(qū)動力計算機械手的手

26、部結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，要求抓取重量為50N，V形手指的角度，摩擦系數(shù)為f=0.1，求抓取重量為50N，V形手指的角度，摩擦系數(shù)為f=0.1根據(jù)手指夾持工件的方位，可得握力計算公式:根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的傳動示意圖3-2，其驅(qū)動力為:實際驅(qū)動力:因為傳動機構(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: 圖3-1 齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)【6】(2)求夾緊缸的工作壓力作用在夾緊缸活塞上的機械載荷P為： 4、手腕結(jié)構(gòu)設計考慮到機械手的通用性，同時由于被抓取工件是水平放置，因此手腕必須設有回轉(zhuǎn)運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)手腕回轉(zhuǎn)運動的機構(gòu)為回轉(zhuǎn)氣缸。4.1 手腕的自由度

27、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，以使機械手適應復雜的動作要求。如圖41所示的手腕運動有繞X軸轉(zhuǎn)動稱回轉(zhuǎn)運動，繞y軸轉(zhuǎn)動稱為上下擺動(或俯仰)，繞Z軸轉(zhuǎn)動稱為左右擺動，沿y軸方向的橫向移動(或沿Z軸方向縱向移動)。因此手腕最多具有四個獨立運動即四個自由度。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)，一般手腕沒有回轉(zhuǎn)運動或再增一個上下擺動即可滿足工作的要求，也有的專用機械手沒有手腕的運動，若有特殊要求的可增加手腕左右擺動或沿y軸方向的橫向移動。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

28、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)，應用最多的為回轉(zhuǎn)油(氣)缸，我們選用的是回轉(zhuǎn)油缸。它的結(jié)構(gòu)緊湊，回轉(zhuǎn)角度為0200，手腕回轉(zhuǎn)速度360/s，并且要求嚴格的密封。圖4-1 手腕運動示意圖1.工件2.手部3.手腕圖4-2手腕回轉(zhuǎn)時受力狀態(tài)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

29、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4-2所示為手腕受力的示意圖。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4-2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

30、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)。, 或 4.2.3 手腕回轉(zhuǎn)缸的尺寸及(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；,-

31、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:- 手部的重量(N), 如圖4-2所示的長度尺寸(cm).(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)，應根據(jù)具體情況加以分析。4.2.2回轉(zhuǎn)油缸的驅(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)氣缸，它的原理如圖4-3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把油腔分隔成兩個.當壓縮油從孔a進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉(zhuǎn)，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉(zhuǎn)。單葉片回轉(zhuǎn)油缸的壓力P和驅(qū)動力矩M的關(guān)系為: (1

32、)尺寸設計設計油缸內(nèi)徑為,半徑R,軸徑,半徑R,油缸運行角速度，加速度時間，回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力為。則力矩：；5、手臂伸縮，升降，尺寸設計與校核5.1手臂伸縮油缸的尺寸設計與校核5.1.1 手臂伸縮油缸的尺寸設計手臂伸縮油缸運行長度設計為=500mm,油缸內(nèi)徑為=40mm,半徑R=20mm。5.1.2 尺寸校核(1)設計油缸運行長度設計為=500mm,油缸內(nèi)徑為=40mm,半徑R=20mm, 油缸運行速度為，加速度時間=0.1s，進油壓力為。 當壓力油輸入無桿腔，使活塞以速度而運動是所需輸入油缸的流量為：式中：D 油缸（或活塞）直徑： 輸入無桿腔的流量 活塞的移動速度油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在

33、活塞上的合成液壓力即油缸的驅(qū)動力為： 式中： 進油壓力 油缸驅(qū)動力 當壓力油輸入有桿腔，使活塞以速度而運動是所需輸入油缸的流量為： 式中： d 活塞桿直徑 輸入無桿腔的流量 活塞的移動速度 油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力即油缸的驅(qū)動力為：所謂油缸的驅(qū)動力是指油缸的高壓油腔的壓力油所產(chǎn)生的合成液壓力。在機械手工作時，各油缸的驅(qū)動力要分別克服作用在各自油缸活塞上的總機械載荷，以保證機械手正常運動。(2)計算作用在活塞上的總機械載荷機械手手臂移動油缸的受力簡圖如圖5-1所示。作用在活塞上的總機械載荷P為：工作阻力：工作阻力的數(shù)值要根據(jù)油缸工作的具體情況確定有無，并進行計算或估算。在此

34、為完成搬運工件的伸縮油缸，故不受工作阻力，即為0。導向裝置處的摩擦阻力：不同配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進行估算。圖5-1 手臂伸縮油缸受力簡圖本設計如圖5-1所示的是雙向桿導向，其導向桿截面形狀是圓柱面。導向桿對稱配置在油缸的兩側(cè)，并布置在過油缸活塞桿的平面內(nèi)。 密封裝置處的摩擦阻力在壓力油驅(qū)動活塞運動時，各密封裝置處摩擦阻力之和為，即 分別為活塞桿和缸蓋處、活塞與缸壁處、伸縮油管處等密封裝置處的摩擦阻力，其值隨密封圈結(jié)構(gòu)的不同而異。慣性力機械手的手臂在起動時，活塞桿上所受到的平均慣性力，可近似計算如下： 式中： 參與運動的零部件的總重量（包括被抓物件重量） g重

35、力加速度 速度變化量 啟動過程的時間背壓阻力 背壓阻力為油缸低壓油液所造成的阻力。一般背壓阻力較小，可按計算。由于，故。 所以： 5.1.3導向裝置液壓驅(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，在設計手臂結(jié)構(gòu)時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結(jié)構(gòu)和抓取物體重量等因素來確定，同時在結(jié)構(gòu)設計和布局上應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉(zhuǎn)中心的慣量。目前導向桿常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中采用雙向?qū)驐U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

36、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，故在手臂伸縮油缸一側(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)抓取物體的重量和油缸的運行參數(shù)視具體情況加以調(diào)節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。結(jié)論本次畢業(yè)設計是在學完大學的基礎知識和專業(yè)知識，進行了一系列的生產(chǎn)實習和以前各次課程設計的基礎上進行的一次綜合性的大總結(jié)。旨在培養(yǎng)我們綜合運用所學的基礎知識、專業(yè)知識去分析和解決生產(chǎn)實際問題的能力及培養(yǎng)正確的設計思想，并通過運用設計標準、規(guī)范、手冊、圖冊、和查閱有關(guān)技術(shù)資料去進行理論計算、結(jié)構(gòu)思考、繪制圖樣、寫相關(guān)說明性材料，培養(yǎng)我們機械設計的基本技能和工程設計工作者的基本素質(zhì)，為我們走上工作崗位打下堅實的基礎。本次畢業(yè)設計課題為液壓通用機械手。隨著生產(chǎn)率水平的提高，人們對產(chǎn)品精度和質(zhì)量