液壓傳動機械手工業(yè)機械手設計

1、黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）1 概述機器手由操作機 ( 機械本體 ) 、控制器、伺服驅動系統(tǒng)和檢測傳感裝置構成，是一種仿人操作，自動控制、可重復編程、能在三維空間完成各種作業(yè)的機電一體化自動化生產設備。特別適合于多品種、變批量的柔性生產。它對穩(wěn)定、提高產品質量，提高生產效率，改善勞動條件和產品的快速更新換代起著十分重要的作用。機器人應用情況， 是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標志。生產中應用機械手可以提高生產的自動化水平，可以減輕勞動強度、保證產品質量、實現安全生產; 尤其在高溫、高壓、低溫、低壓、粉塵、易爆、有毒氣體和放射性等惡劣的環(huán)境中，它代替人進行正常的工作，意義更為重大。因此，在機械加工

2、、沖壓、鑄、鍛、焊接、熱處理、電鍍、噴漆、裝配以及輕工業(yè)、 交通運輸業(yè)等方面得到越來越廣泛的引用。機械手的結構形式開始比較簡單，專用性較強，僅為某臺機床的上下料裝置，是附屬于該機床的專用機械手。 隨著工業(yè)技術的發(fā)展， 制成了能夠獨立的按程序控制實現重復操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機械手”，簡稱通用機械手。由于通用機械手能很快的改變工作程序，適應性較強， 所以它在不斷變換生產品種的中小批量生產中獲得廣泛的引用。液壓傳動機械手是以壓縮液體的壓力來驅動執(zhí)行機構運動的機械手。其主要特點是: 介質李源極為方便，輸出力小，液壓動作迅速，結構簡單，成本低。但是，由于空氣具有可壓縮的特性， 工作速度的

3、穩(wěn)定性較差， 沖擊大，而且氣源壓力較低，抓重一般在 30公斤以下， 在同樣抓重條件下它比液壓機械手的結構大，所以適用于高速、輕載、高溫和粉塵大的環(huán)境中進行工作。液壓技術有以下優(yōu)點 :（1）體積小、重量輕，因此慣性力小，當突然過載或停車時，不會發(fā)生大的沖擊（2）能在給定范圍內平穩(wěn)的自動調節(jié)牽引速度，并可實現無極調速；（3）換向容易，在不改變電機旋轉方向的情況下，可以較方便地實現工作機構旋轉和直線往復運動的轉換；（4）液壓泵和液壓馬達之間用油管連接，在空間布置上彼此不受嚴格限制；（5）由于采用油液為工作介質，元件相對運動表面間能自行潤滑，磨損小，使用壽命長；（6）操縱控制簡便，自動化程度高；（7）

4、容易實現過載保護。黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）2 第一章機械手的設計1.1 機械手的設計要求本課題將要完成的主要任務如下: (1) 機械手為通用機械手，因此相對于專用機械手來說，它的適用面相對較廣。(2) 選取機械手的座標型式和自由度。(3) 設計出機械手的各執(zhí)行機構，包括: 手部、手腕、手臂等部件的設計。為了使通用性更強，手部設計成可更換結構，不僅可以應用于夾持式手指來抓取棒料工件，在工業(yè)需要的時候還可以用氣流負壓式吸盤來吸取板料工件。(4) 液壓傳動系統(tǒng)的設計本課題將設計出機械手的液壓傳動系統(tǒng)，包括液壓元器件的選取，液壓回路的設計，并繪出液壓原理圖。1.2 機械手的系統(tǒng)工作原理及組成機械手

5、的工作原理：機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。在 plc 程序控制的條件下，采用液壓傳動方式，來實現執(zhí)行機構的相應部位發(fā)生規(guī)定要求的，有順序，有運動軌跡，有一定速度和時間的動作。同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行機構發(fā)出指令，必要時可對機械手的動作進行監(jiān)視，當動作有錯誤或發(fā)生故障時即發(fā)出報警信號。位置檢測裝置隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置. 機械手的系統(tǒng)工作原理框圖如圖1-1所示。黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）3 圖1-1機械手的系統(tǒng)工作原理框圖(一)執(zhí)行機構包括手部、手腕

6、、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構。1、手部即與物件接觸的部件。由于與物件接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手在本課題中我們采用夾持式手部結構。夾持式手部由手指 ( 或手爪 ) 和傳力機構所構成。手指是與物件直接接觸的構件， 常用的手指運動形式有回轉型和平移型?；剞D型手指結構簡單，制造容易，故應用較廣泛。平移型應用較少，其原因是結構比較復雜，但平移型手指夾持圓形零件時， 工件直徑變化不影響其軸心的位置，因此適宜夾持直徑變化范圍大的工件。手指結構取決于被抓取物件的表面形狀、被抓部位 (是外廓或是內孔 )和物件的重量及尺寸。 而傳力機構則通過手指產生夾緊力來完成夾放物件的任務。傳力機構型式較

7、多時常用的有: 滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜面杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母彈簧式和重力式等。2、手腕是連接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物件的方位(即姿勢 ) 3、手臂控制系統(tǒng)驅動系統(tǒng)（液壓傳動）執(zhí)行機構位置檢測裝置手部手腕手臂立柱黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）4 手臂是支承被抓物件、 手部、手腕的重要部件。 手臂的作用是帶動手指去抓取物件，并按預定要求將其搬運到指定的位置。工業(yè)機械手的手臂通常由驅動手臂運動的部件(如油缸、液壓缸、齒輪齒條機構、連桿機構、螺旋機構和凸輪機構等) 與驅動源( 如液壓、液壓或電機等 ) 相配合，以實現手臂的各種運動。4、立柱立柱是支承手臂的部件，立柱也可以是手臂

8、的一部分，手臂的回轉運動和升降(或俯仰 ) 運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱因工作需要，有時也可作橫向移動，即稱為可移式立柱。5、機座機座是機械手的基礎部分， 機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機座上，故起支撐和連接的作用。( 二) 驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng)是驅動工業(yè)機械手執(zhí)行機構運動的。它由動力裝置、調節(jié)裝置和輔助裝置組成。常用的驅動系統(tǒng)有液壓傳動、液壓傳動、機械傳動。() 位置檢測裝置控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統(tǒng)，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統(tǒng)進行調整，從而使執(zhí)行機構以一定的精度達到設定位置. 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）5 第二章機

9、械手的整體設計方案對液壓機械手的基本要求是能快速、準確地拾- 放和搬運物件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間和靈活的自由度及在任意位置都能自動定位等特性。設計液壓機械手的原則是: 充分分析作業(yè)對象 ( 工件)的作業(yè)技術要求，擬定最合理的作業(yè)工序和工藝， 并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件;明確工件的結構形狀和材料特性，定位精度要求，抓取、搬運時的受力特性、尺寸和質量參數等，從而進一步確定對機械手結構及運行控制的要求; 盡量選用定型的標準組件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉換和編程控制. 本次設計的機械手是通用液壓上下料機械手（如圖2-1所示），是

10、一種適合于成批或中、小批生產的、可以改變動作程序的自動搬運或操作設備，動作強度大和操作單調頻繁的生產場合。它可用于操作環(huán)境惡劣的場合。圖2-1機械手的整體機械結構黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）6 2.1 機械手的座標型式與自由度按機械手手臂的不同運動形式及其組合情況，其座標型式可分為直角座標式、圓柱座標式、球座標式和關節(jié)式。由于本機械手在上下料時手臂具有升降、收縮及回轉運動，因此，采用圓柱座標型式。相應的機械手具有三個自由度，為了彌補升降運動行程較小的缺點，增加手臂擺動機構，從而增加一個手臂上下擺動的自由度。（如圖 2-2所示）圖2-2 機械手的運動示意圖2.2 機械手的手部結構方案設計為了使機

11、械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部; 當工件是板料時，使用氣流負壓式吸盤。2.3 機械手的手腕結構方案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運動才可滿足工作的要求。因此，手腕設計成回轉結構，實現手腕回轉運動的機構為回轉液壓缸。黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）7 2.4 機械手的手臂結構方案設計按照抓取工件的要求，本機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和降 (或俯仰 ) 運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現的，立柱的橫向移動即為手臂的橫移。手臂的各種運動由液壓缸來實現。2.5 機械手的驅動方案設

12、計由于液壓傳動系統(tǒng)的動作迅速，反應靈敏，阻力損失和泄漏較小，成本低廉因此本機械手采用液壓傳動方式。2.6 機械手的控制方案設計考慮到機械手的通用性，同時使用點位控制，因此我們采用可編程序控制器(plc)對機械手進行控制。當機械手的動作流程改變時，只需改變plc 程序即可實現，非常方便快捷。2.7 機械手的主要技術參數一. 機械手的最大抓重是其規(guī)格的主參數，由于是采用液壓方式驅動，因此考慮抓取的物體不應該太重，查閱相關機械手的設計參數，結合工業(yè)生產的實際情況，本設計設計抓取的工件質量為5公斤。二. 基本參數運動速度是機械手主要的基本參數。操作節(jié)拍對機械手速度提出了要求，設計速度過低限制了它的使用

13、范圍。（如圖2-3所示）而影響機械手動作快慢的主要因素是手臂伸縮及回轉的速度。該機械手最大移動速度設計為sm/0 .1。最大回轉速度設計為s/90。平均移動速度為sm/8 .0。平均回轉速度為s/60。機械手動作時有啟動、停止過程的加、減速度存在，用速度一行程曲線來說明速度特性較為全面，因為平均速度與行程有關，故用平均速度表示速度的快慢更為符合速度特性。除了運動速度以外，手臂設計的基本參數還有伸縮行程和工作半徑。 大部分機械手設計成相當于人工坐著或站著且略有走動操作的空間。過大的伸縮行程和工作半徑，必然帶來偏重力矩增大而剛性降低。在這種情況下宜采用自動傳送裝置為好。根據統(tǒng)計和比較，該機械手手臂

14、的伸縮行程定為600mm, 最大工作半徑約為mm1400。手臂升降行程定為mm120。定位精度也是基本參數之一。該機械手的定位精度為mm1。三. 用途: 用于自動輸送線的上下料。黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）8 四設計技術參數 : 1、抓重kg5 2、自由度數 4個自由度3、座標型式圓柱座標4、最大工作半徑mm1400 5、手臂最大中心高mm1250 6、手臂運動參數伸縮行程mm1200伸縮速度smm/400升降行程mm120升降速度smm/250回轉范圍1800回轉速度s/907、手腕運動參數回轉范圍1800回轉速度s/908、手指夾持范圍棒料:mmmm150809、 定位方式行程開關或可調機

15、械擋塊等10、定位精度mm1 11、驅動方式液壓傳動圖2-3機械手的工作范圍黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）9 第三章手部結構設計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

16、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

17、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，當應盡量黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）10 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

18、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=5 公斤，v形手指的角度1202，mmrmmb24120, 摩擦系數為10.0f(1) 根據手部結構的傳動示意圖，其驅動力為: rbp2n(2) 根據手指夾持工件的方位，可得握力計算公式 : )(5 .0tgn)(25)42560(55 .0ntg所以黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）11 rbp2n)(245 n(3) 實際驅動力 : 21kkpp實際1、因為傳力機構為齒輪齒條傳

19、動，故取94.0，并取5.11k。若被抓取工件的最大加速度取ga3時，則:412gak所以)(156394.045.1245np實際所以夾持工件時所需夾緊液壓缸的驅動力為n1563。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: ztffpdf421式中: 1f - 活塞桿上的推力， n tf - 彈簧反作用力， n zf- 液壓缸工作時的總阻力， n p- 液壓缸工作壓力， pa 彈簧反作用按下式計算 : )1(sgfftndgdgf3141gf =ndgd31418式中:fg- 彈簧剛

20、度， n/m 1- 彈簧預壓縮量， m s- 活塞行程， m 1d- 彈簧鋼絲直徑， m 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）12 1d- 彈簧平均直徑， . n- 彈簧有效圈數 . g - 彈簧材料剪切模量，一般取pag9104.79在設計中，必須考慮負載率的影響，則 : tfpdf421由以上分析得單向作用液壓缸的直徑: pftfd)(41代入有關數據，可得fgndgd314184333915)1030(8)105.3(104 .79)/(46.3677mn)1(sgfft)(6 .220106046.36773n所以: dpnftf)1(46105.0)6.220490(4)(23.65mm查有

21、關手冊圓整，得mmd65由3.02 .0/ dd, 可得活塞桿直徑 :mmdd5.1913)3 .02 .0(圓整后，取活塞桿直徑mmd18校核，按公式)4/(21df有:5 .0)/14( fd其中， mpa120，nf7501則:5. 0)120/4904(d1828.2滿足實際設計要求。3、缸筒壁厚的設計缸筒直接承受壓縮空液壓力， 必須有一定厚度。 一般液壓缸缸筒壁厚與內徑之黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）13 比小于或等于 1/10 ，其壁厚可按薄壁筒公式計算: 2/pdp式中:6- 缸筒壁厚， mm d - 液壓缸內徑， mm pp- 實驗壓力，取ppp5. 1, pa 材料為 :zl3

22、,=3mpa 代入己知數據，則壁厚為 : 2/pdp)(5 .6)1032/(1066565mm取mm5.7，則缸筒外徑為 :)(8025. 7651mmd黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）14 第四章手腕結構設計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

23、轉液壓缸。它的結構緊湊，但回轉角度小于360，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)黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）15 手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算: 封摩偏慣驅mmmmm式中: 驅m- 驅動手腕轉動的驅動力矩(cmn);

24、 慣m- 慣性力矩 (cmn); 偏m- 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 (cmn). 封m- 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(cmn); 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t，則: ).(1cmntjjm）（慣式中: j - 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量).(2scmn; 1j- 工件對手腕轉動軸線的轉動慣量).(2scmn。若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量1j

25、為: ggjjc1121e式中: cj- 工件對過重心軸線的轉動慣量).(2scmn: 1g- 工件的重量 (n); 1e- 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); t - 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 偏偏m11eg +33eg (cmn) 式中: 3g- 手腕轉動件的重量 (n); 3e- 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11eg0. 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）16 3、手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩封m封m

26、)(212drdrfba(cmn) 式中:1d，2d- 轉動軸的軸頸直徑 (cm); f- 摩擦系數，對于滾動軸承01.0f，對于滑動軸承1.0f; ar,br- 處的支承反力 (n)，可按手腕轉動軸的受力分析求解，根據0）（fma, 得: 33lglrblglg122brllglglg332211同理，根據bm(f)0, 得: lllgllgllgra)()()(332211式中:2g- 的重量 (n) 321,llll, 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

27、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，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 : )(222rrbmp或2)(22rrpbm4.2.3 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mmb100, 液壓缸內徑為1d=96mm, 半徑mmr48, 軸徑mmd2622d=26mm, 半徑mmr13, 液壓缸運行角速度=s/90，加速度時間黃石理工學院畢業(yè)

28、設計（論文）17 t =0.1s, 壓強mpap4.0, 則力矩：2)(22rrpbm).(6.322)026.0048.0( 1.0104 .0226mn2. 尺寸校核（1）測定參與手腕轉動的部件的質量kgm101, 分析部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑mmr50的圓盤上，那么轉動慣量：221rmj205.01020125.0（2.mkg）工件的質量為 5kg, 質量分布于長mml100的棒料上，那么轉動慣量：).(0042.0121.0512222mkgm ljc假如工件中心與轉動軸線不重合，對于長mml100的棒料來說，最大偏心距mme501，其轉動慣量為 : ).(016

29、7.005.050042.022211mkgemjjc慣mtjj)(1黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）18 ).(3 .261 .090)0167.00125.0(mn（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，01e，夾持工件一端時工件重心偏離轉動軸線mme503, 則：偏m11eg +33eg).(5 .205.010501010mn（3）手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為摩m，對于滾動軸承01.0f，對于滑動軸承f=0.1，1d，2d為手腕轉動軸的軸頸直徑，mmd301, mmd202, ar,br為軸頸處的支承反力，粗略估計nra300,

30、nrb150, 摩m)(212drdrfba)03.015002.0300(201.0).(05.0mn4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。在此處估計封m為摩m的3倍，封m3摩m05. 03).(15.0mn封摩偏慣驅mmmmm15.005.05 .23 .26).(29mnmm 驅設計尺寸符合使用要求，安全。黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）19 第五章手臂伸縮，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

31、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，關于此液壓缸的資料詳情請參看煙臺液壓元件廠公司主頁： 5.1.2 尺寸校核1. 在校核尺寸時，只需校核液壓缸內徑1d=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mpap4.0, 則驅動力：2rpf)(12460315.014. 3104.026n2測定手腕質量為 50kg, 設計加速度)/(10sma，則慣性力：maf1)(5001050n3. 考慮活塞等的摩擦力，設定摩擦系數2 .0k, 1.fkfm)(1005002.0n黃石理

32、工學院畢業(yè)設計（論文）20 總受力mfff10)(600100500nff0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

33、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l =118mm, 液壓缸內徑為1d=110mm, 半徑 r=55mm, 液壓缸運行速度，加速度時間t=0.1s, 壓強p=0.4mpa,則驅動力：20. rpg26055.014.3104 .0)(3799 n黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）21 5.2.2 尺寸校核1測定手腕質量為 80kg, 則重力：mg

34、g)(8001080n2設計加速度)/(5sma，則慣性力：mag1)(400580n3. 考慮活塞等的摩擦力，設定一摩擦系數1 .0k，1.gkgm)(404001.0n總受力mqgggg1)(124040400800n0ggq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mmb120, 液壓缸內徑為mmd2101, 半徑r=105mm, 軸徑mmd402半徑mmr20, 液壓缸運行角速度=s/90，加速度時間t0.5s, 壓強mpap4 .0, 則力矩：2)(22rrpbm黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）22 ).(2552)020.0

35、105.0(12.0104 .0226mn5.3.2 尺寸校核1測定參與手臂轉動的部件的質量kgm1201, 分析部件的質量分布情況，質量密度等效分布在一個半徑mmr200的圓盤上，那么轉動慣量：221rmj210.012026 .0（2.mkg）tjm.慣).(1085.0906.0mn考慮軸承，油封之間的摩擦力，設定一摩擦系數2.0k, 慣摩mkm.）（mn.4.51082.0總驅動力矩：摩慣驅mmm）（mn.4.1134.5108mm 驅設計尺寸滿足使用要求。黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）23 第六章液壓系統(tǒng)原理設計及草圖6.1 手部抓取缸圖 3.1 手部抓取缸液壓原理圖71、手部抓取缸液

36、壓原理圖如圖3.1 所示2、泵的供油壓力 p取 10mpa ，流量 q取系統(tǒng)所需最大流量即q=1300ml/s。因此，需裝圖 3.1 中所示的調速閥，流量定為7.2l/min ，工作壓力 p=2mpa 。采用： yf-b10b 溢流閥 2frm5-20/102調速閥 23e1-10b二位三通閥黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）24 6.2 腕部擺動液壓回路4圖 3.2 腕部擺動液壓回路71、腕部擺動缸液壓原理圖如圖3.2 所示2、工作壓力 p=1mpa 流量 q=35ml/s 采用：2frm5-20/102調速閥34e1-10b 換向閥yf-b10b 溢流閥黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）25 6.3

37、小臂伸縮缸液壓回路臂部伸縮缸52圖 3.3 小臂伸縮缸液壓回路71、小臂伸縮缸液壓原理圖如圖3.3 所示2、工作壓力 p=0.25mpa 流量 q=1000ml/s 采用： yf-b10b 溢流閥2frm5-20/102 調速閥23e1-10b二位三通閥黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）26 6.4 總體系統(tǒng)圖圖 6.4 總體系統(tǒng)圖71、總體系統(tǒng)圖如圖6.4 所示2、工作過程小臂伸長手部抓緊腕部回轉小臂回轉小臂收縮手部放松3、電磁鐵動作順序表元件動作1dt 2dt 3dt 4dt 5dt 小臂伸長+ + - - 手部抓緊+ - - - 腕部回轉+ - + - 小臂收縮- - - - 手部放松- +

38、- - 卸荷圖 6.4 總體系統(tǒng)圖黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）27 4 、確電機規(guī)格：液壓泵選取 cb-d型液壓泵，額定壓力p=10mpa ，工作流量在 3270ml/r 之間。選取 80l/min 為額定流量的泵，因此：傳動功率 n=pq/（3.1 ）式中： =0.8 （經驗值）所以代入公式（ 3.1 ）得： n=1080103106/60 0.8 =16.7kn 選取電動機 jqz-61-2 型電動機，額定功率17kw ，轉速為 2940r/min 。黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）28 第七章機身機座的結構設計機身的直接支承和傳動手臂的部件。一般實現臂部的升降、 回轉或俯仰等運動的驅動裝置或

39、傳動件都安裝在機身上，或者就直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜，機身既可以是固定式的，也可以是行走式的 , 如圖 4.1 所示。圖 4.1 機身機座結構圖臂部和機身的配置形式基本上反映了機械手的總體布局。本課題機械手的機身設計成機座式，這樣機械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉型機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動， 獲得較大的升降行程。 升降過程由電動機帶動螺柱旋轉。由螺柱配合導致了手臂的上下運動。手臂的回轉由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉帶動了機身的旋轉，從而達到了自由度的

40、要求。7.1 電機的選擇機身部使用了兩個電機， 其一是帶動臂部的升降運動； 其二是帶動機身的回轉運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉的電機安裝在混凝土地基上。1、帶動臂部升降的電機：10初選上升速度 v=100mm/s p=6kw 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）29 所以 n=（100/6）60=1000轉/ 分選擇 y90s-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用b級絕緣，外殼防護等級為ip44， 冷卻方式為 i（014） 即全封閉自扇冷卻， 額定電壓為 380v， 額定功率為 50hz 。如圖 4.1 y90s-4 電動機技術數據所示：型號額定功率 kw 滿載時堵轉電流堵轉轉矩

41、最大轉矩電流 a 轉速r/min 效率% 功率因素額定電流額定轉矩額定轉矩y90s-4 1.1 2.7 1400 79 0.78 6.5 2.2 2.2 圖 4.1 y90s-4 電動機技術數據2、帶動機身回轉的電機：10初選轉速 w=60o/s n=1/6轉/ 秒=10轉/ 分由于齒輪 i=3 減速器 i=30 所以 n=10330=900轉/ 分選擇 y90l-6 型籠型異步電動機電動機采用 b級絕緣。外殼防護等級為ip44，冷卻方式為 i （014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380v ，額定功率為 50hz 。如圖 4.2 y90s-6 電動機技術數據所示：黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）

42、30 圖 4.2 y90l-6 電動機技術7.2 減速器的選擇減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉速和增轉矩，以滿足工作需要。6初選 wd80 型圓柱蝸桿減速器。wd 為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。蝸桿的材料為 38simnmo調質蝸輪的材料為 zqa19-4 中心矩 a=80 ms q=4.011 （4.1 ）傳動比 i=30 傳動慣量 0.265103kgm 27.3 螺柱的設計與校核螺桿是機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。螺桿的材料選擇：6從經濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。螺距 p=6mm 梯形螺紋螺紋的工作高度 h=0.5p （4.2

43、）=3mm 螺紋牙底寬度 b=0.65p=0.65 6=3.9mm （4.3 ）螺桿強度 = s/3 5 （4.4 ）=150/35 =3050mpa 螺紋牙剪切 =40 彎曲 b=4555 1、當量應力62312212. 034dtdf (4.5) 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）31 式中 t傳遞轉矩 nmm 螺桿材料的許用應力所以代入公式（ 4.5 ）得：= （42009.8/ d12）2+3（2009.8 0.6/0.2d13）2= （2495/ d12）2+3（61.2/ d13）23050106 =（2495/ d12）2+3（61.2/ d13）290025001012 =62250

44、25/d14+11236/d16900250010126225025d12+11236900d16101262250250.0292+112369000.02961012即 16471pa535340pa 合格2、剪切強度6z=h/p=160/6 （旋合圈數）（4.6 ）=f/d1bz （4.7 ） =2009.8/ 0.0293.9 （160/6） 10-3 =206.8103pa =0.206mpa =40mpa 3、彎曲強度6b=3fh/d1b2z =3 2009.8 3/ 2.9 3.92（160/6） =0.48mpa =45mpa 合格黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）32 第八章機械手

45、的定位與平穩(wěn)性8.1 常用的定位方式機械擋塊定位是在行程終點設置機械擋塊。當機械手經減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。若定位前已減速，定位時驅動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復精度。一般可高于0.5mm ，若定位時關閉驅動油路而去掉工作壓力，這時機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低。8.2 影響平穩(wěn)性和定位精度的因素機械手能否準確地工作， 實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下：（1、 ）定位方式不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛

46、度和碰接擋塊時的速度等因素有關。（2、 ）定位速度定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時， 必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅動系統(tǒng)使運動部件適時減速。（3、 ）精度機械手的制造精度和安裝調速精度對定位精度有直接影響。（4、 ）剛度機械手本身的結構剛度和接觸剛度低時，因易產生振動， 定位精度一般較低。（5、 ）運動件的重量運動件的重量包括機械手本身的重量和被抓物的重量。運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）33 降低。因此，設計時不僅要減小運動部件

47、本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。（6、）驅動源（7、液壓、氣壓的壓力波動及電壓、油溫、氣溫的波動都會影響機械手的重復定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調節(jié)油溫措施。如用蓄能器穩(wěn)定油壓，用加熱器或冷卻器控制油溫，低速時，用溫度、壓力補償流量控制閥控制。（7、 ）控制系統(tǒng)開關控制、 電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關。本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位. 黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）34 第九章機械手的結構9.1 機械手的主要組成機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。9（1、 ）執(zhí)行機構：

48、包括手部、手腕、手臂和立柱等部件，有的還增設行走機構如7.1 所示。圖 7.1 機構簡圖 手部：是機械手與工件接觸的部件。由于與物體接觸的形式不同，可分為夾持式和吸附式手部。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式。由手指和傳力機構所構成，手指與工件接觸而傳力機構則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務。 手腕：是聯接手部和手臂的部件，起調整或改變工件方位的作用。 手臂：支承手腕和手部的部件，用以改變工件的空間位置。 立柱：是支承手臂的部件。 手臂的回轉運動和升降運動均與立柱有密切的聯系。機械手的立柱通常為固定不動的。 機座：是機械手的基礎部分。機械手執(zhí)行機構的各部件和驅動系統(tǒng)均安裝于機黃石理工學院畢業(yè)設計（論文）35 座上，故起支承和聯接的作用。（2、 ）驅動系統(tǒng)：機械手的驅動系統(tǒng)是驅動執(zhí)行運動的傳動裝置。常用的有液壓傳動、氣壓傳動、電力傳動和機械傳動等四種形式。（3、 ）控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)是機械手的指揮系統(tǒng)