《四自由度機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計》11000字（論文）

四自由度機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計摘要機械化在工業(yè)這個領(lǐng)域里面被越來越廣泛的使用，所以重要性越來越高。它的發(fā)展也就在短短的最近這幾十年，發(fā)展形成的是生產(chǎn)設(shè)備高科技全自動化，可以不要人工去操作，完全機械根據(jù)程序來操作機器?？梢杂卸鄠€動作，多個方向運輸物品，以滿足在不同環(huán)境下連續(xù)完成工作任務(wù)。本文設(shè)計的是四個自由度的機械手，主要的組成部件是手指、手腕、手臂、機器主體等。主要功能是抓取物料、抬起和放下手臂、選擇物品等，并且能夠按照人們事先設(shè)定好的路線來完成工作任務(wù)。本機械手使用的是機器安置在固定機身上的方式，可在機械底座上繞線，實現(xiàn)自動控制。能夠使機械手臂轉(zhuǎn)動，手臂上升和下降，手臂伸展和收回，手腕自行轉(zhuǎn)動。設(shè)計時，采用了圓柱座標，驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動。優(yōu)點主要是機器本身體積較小，發(fā)出來的力量大，動作比較平靜安穩(wěn)，而且伸出去的機械手能夠在物體的中間停住等。本文設(shè)計的機械手能夠滿足多種物料搬運的工作任務(wù)。關(guān)鍵詞：四自由度；機械手；圓柱坐標型；液壓目錄TOC\o"1-3"\h\u8901前言 126398第1章緒論 2284491.1機械手基本概念 2294751.2機械手研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 23701.2.1機械手的研究現(xiàn)狀 2317951.2.2機械手的發(fā)展趨勢 2319551.3機械手應(yīng)用 3170241.4機械手研究意義 431341.5課題研究任務(wù) 419039第2章機械手的設(shè)計 5150682.1機械手的總體結(jié)構(gòu) 5127882.1.1機械手的總體結(jié)構(gòu)分析 5223852.1.2機械手的總體設(shè)計方案 6228772.2驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 611242.2.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點 664252.2.2驅(qū)動設(shè)計方案 7248412.3機械手臂的設(shè)計方案 7247662.3.1機械手的技術(shù)參數(shù) 7240672.3.2機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案 7102942.4機械手臂伸縮動力液壓缸的設(shè)計 976822.4.1液壓缸驅(qū)動力計算 9123232.4.2尺寸計算和校核 1033672.5手腕的驅(qū)動計算 15128192.5.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 15278602.5.2旋轉(zhuǎn)液壓缸計算與校核 1726543結(jié)論 2016054參考文獻 21前言機器手發(fā)展的很快，現(xiàn)在越來越多的人們了解認識它在實際工作中的作用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：第一、可以自動化操作，在有的程序上面可以省去人工操作，節(jié)省人工。第二、不僅能夠完成工作任務(wù)，還能按照人們設(shè)定的程序去完成物體的運輸，裝起或者卸下。第三、可以完成一些人工不能完成，或者比較危險的工作。這樣就可以保證工人的人身安全，提高工作效率。正是由于這些優(yōu)點，我國正在大力的進行機器手的研究和發(fā)展。特別是在比較危險的一些工作地點，比如高污染的環(huán)境，高灰塵、高噪音等的環(huán)境，對機器手工作的需求就很大。最近幾年，機器手發(fā)展很迅速，也取得了一定的顯著成果。第1章緒論1.1機械手基本概念機械手也就是我們經(jīng)常所說的機器人，機器人在最近這些年發(fā)展的很快，也是一門比較新的研究領(lǐng)域。機器人的研究涉及到了很多的方面，有機械方面，電子方面還有計算機等方面的，有很廣的研究領(lǐng)域，研究出來的機器人實現(xiàn)了光機電一體化，它不僅是現(xiàn)在科學(xué)家們研究的最多的學(xué)科，也是國際上體現(xiàn)自己國家科技是否高端的重要標志?！皺C械手”（MachanicalHand）：主要就是說一個主機控制，一個所謂的手對物體抓起或者放下，或者其他的一些操作。比如，在工作自動化的生產(chǎn)線上，將物料放上去，將物料取下來等等這樣的自動化工作。1.2機械手研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1機械手的研究現(xiàn)狀原來的機械手是比較針對性的，在特定的環(huán)境下有特定的機械手，經(jīng)過一段時間的研究和發(fā)展，現(xiàn)在的機械手已經(jīng)變得應(yīng)用性很廣泛，以通用性的機械手為主了。使用這種通用性的機械手，可以在很多不同的工作地點，不同的工作要求下來實現(xiàn)動作，極大的節(jié)約了使用成本，提高了工作效率。研究生產(chǎn)出這種通用性的機械手，需要用到多個領(lǐng)域的知識，有機械、液壓、電子、通訊、計算機、仿生等等。發(fā)達國家研究的比較早，比我國先進?，F(xiàn)在我國已經(jīng)認識到機械手在實際工作中的重要性，已經(jīng)加大了研究和開發(fā)，不僅在資金上進行支持，而且在學(xué)術(shù)交流上也舉辦了很多活動來促進交流，這樣可以使得機械手研究單位，互相交流彼此的研究成果。1.2.2機械手的發(fā)展趨勢（1）要研究更多以液壓為動力的操作方向的更多的機械手，機械手就可以像人的手一樣更加的靈活，就能完成更加多的操作動作。（2）現(xiàn)在的機械手都是固定在一個工作地點，要研究機械手主體可以移動，可以在不同的地點進行工作，使得工作地點更多。（3）任何機器發(fā)明使用時是一個方面，維修是另一方面。要注意維修起來也要方便，不能復(fù)雜。（4）要研究可以自己編程的機械手，或者在面對不同的工作環(huán)境，也能自己改變程序。（5）研究出跟真人比較類似的機器手，可以感受所觸摸到的物體。在機器手上面安裝傳感裝置，可以模仿人手對物體的感覺。機械手主機模仿人的大腦，可以在摸到物體的時候，主動進行思考，并且發(fā)出動作。機械手機器上安裝輪子，模仿人的雙腿，則可以到處移動，。用這樣的機器人進行生產(chǎn)制造，這樣的生產(chǎn)線就被叫做智能生產(chǎn)線。（6）要研究柔軟度比較好的通用性的機器手。這樣，機器手就按照我們的指令進行工作，這樣的機器手，我們稱為第二代的通用式機器手，我國現(xiàn)在研發(fā)的機器手是第三代機器手，智能化的機械手，它主要能實現(xiàn)的是自主輸入程序，在遇到情況的時候，自己能夠改變程序，從而能夠完成工作任務(wù)，實現(xiàn)更多的工作角度。現(xiàn)在我國的科研單位和企業(yè)單位，都在朝著這個方向在努力，相信在一定的時間以后，我國一定能夠在這個智能化機械手的研發(fā)路上有突破，在這方面，我們可以追上發(fā)達國家，甚至超越發(fā)達國家。1.3機械手應(yīng)用機械手的種類有3種。第1種完全是自動化的通用性機器手。這種機械手它不需要主機，可以自己來編制程序，完成所需要的工作任務(wù)。它的優(yōu)點是不僅有普通機械手操作性的功能，按照預(yù)定的程序完成工作，還可以模仿人類在遇到情況外自動處理。第2種的機械手是需要人來操作的，叫做操作型機械手。原來主要在軍事領(lǐng)域使用，最開始的機械手是用來完成一個或者兩個特定的動作，再后來發(fā)展到用無線的信號來控制機械手，使用的領(lǐng)域也比較有限，在高端科技領(lǐng)域使用，例如月球探測等。第3種機械手是專門在某個機床或者生產(chǎn)線上使用的，可以叫做專用型機械手，它的主要任務(wù)就是在機床上把要加工的物料拿上機床，搬下機床，將加工好的物料傳遞到另一道工序上去。這種機械手被主機控制住，所有的程序都是固定的，沒有變化的，因此只能在固定的場景，固定的工作程序下來使用。現(xiàn)在國際上主要研究發(fā)展第1種機械手，這是一種通用機器人。美國是第一個從事機械臂工作的國家。在1985年，美國研究出了第一個機械手。到了一九六二年，然后，對基于第一個機器人臂的數(shù)控操作機器人進行了研究。該機械手傳動系統(tǒng)采用液壓傳動，可以實現(xiàn)多個動作，現(xiàn)在很多球坐標式通用型機械手就是以這個機器原理為基礎(chǔ)，經(jīng)過反復(fù)的學(xué)習(xí)和開發(fā)。日本是目前發(fā)展速度最快、應(yīng)用最廣的國家。自上個世紀美國引入機械臂以來，日本就開始加大力量對機械手這項技術(shù)開始研究。不管是學(xué)校還是研究機構(gòu)，不管是企業(yè)投入還是國家的投入，整個國家對機械手的熱情都達到了空前的熱度。到上世紀的七九年，對機械手的生產(chǎn)上就已經(jīng)達到了世界的首位。在他們國家使用機械手最多的行業(yè)還是汽車生產(chǎn)業(yè)，電機生產(chǎn)單位，電器生產(chǎn)企業(yè)?，F(xiàn)在的機械臂，還是最早的一種，是一種需要人工操控的機械臂。但是這種機械手隨便誰都可以來操作，沒有辦法來識別究竟誰來操作。對這種機械手，要首先提高它的操作精度，降低產(chǎn)品的成本，提高它的精確度。1.4機械手研究意義在現(xiàn)代的科學(xué)發(fā)展的大背景下，機械手被廣泛用于各個行業(yè)。機械手的意義可以概括到以下幾個方面：（1）自動化程度大大的提升在實際應(yīng)用中機械手可以更好地在全自動的生產(chǎn)線中運送材料、工件、換一下刀具、還有機器的裝配等的自動化，這樣就能提高生產(chǎn)的效率，相對的來說生產(chǎn)的成本就被降低了。（2）改善勞動條件，避免人身事故在溫度高、壓力大、溫度低、壓力小、噪雜聲、臭味、有幅射的環(huán)境和地方下，由人去執(zhí)行是很危險的，甚至是不可能的。從而使用機械手小部分或者全部幫助人完成工作，避免人身事故發(fā)生的同時也使得人們勞動的雙手得到了解放。（3）降低工人數(shù)量，使生產(chǎn)更有規(guī)律。利用機器人手臂來代替人類的手，它能直接降低人工的工作量，這是減少人工成本的另一方面。因此，在自動化的機器和自動化的綜合生產(chǎn)線上，都會采用機械臂，這樣可以節(jié)省人力，同時也能很好的控制生產(chǎn)的速度，方便生產(chǎn)。（4）采用液壓系統(tǒng)對機械手進行操作，具有較好的穩(wěn)定性和較高的精度。（5）采用機械臂可以連續(xù)生產(chǎn)，極大地提高了生產(chǎn)線所需的工作時間，可以很好的提高勞動的生產(chǎn)效率。1.5課題研究任務(wù)研發(fā)生產(chǎn)一種能有四個自由度機器人，以液壓動力為動力。其主要技術(shù)指標是：（1）工件：棒料，該物體的重量達到20斤，長度的上限是350mm，直徑的長度在60－100mm；（2）作業(yè)范圍：不低于1000毫米的起重高度，600毫米的伸縮，400毫米的垂直運動；（3）操作速度：2米/秒，定位精度±0.5mm。第2章機械手的設(shè)計2.1機械手的總體結(jié)構(gòu)2.1.1機械手的總體結(jié)構(gòu)分析本文設(shè)計的四自由度圓柱坐標型液壓機械手，由執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)組成。（1）執(zhí)行機構(gòu)①手部機械手抓取材料時，我們采取了較為簡單的回轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)。通常機械臂上僅有兩個指頭，按實際操作要求可分為外握式和內(nèi)握式。機器人手臂上的力量傳遞有很多種，比如滑槽杠桿、連桿杠桿、斜槭杠桿、齒輪齒條、螺母、彈簧和重力。本論文主要是通過液壓驅(qū)動實現(xiàn)相應(yīng)的運動。②腕部該部位的主要功能是將雙手與手臂的連結(jié)，同時還能轉(zhuǎn)動手掌的方向，使得機器人的操作更加靈活和廣泛。手腕的動作有旋轉(zhuǎn)，上下，左右四種。這幾種移動方式，已經(jīng)足夠滿足目前的工作需求了，有些機器人，連機器人手臂都沒有，可以輕松的拿起和放下?，F(xiàn)在最常用的就是帶手腕的機械臂，它的動力系統(tǒng)是液壓傳動，這個機械臂的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，可以靈活的移動，但也有一個弊端，那就是旋轉(zhuǎn)的角度太小，密封不好，操作起來也不太穩(wěn)定。因此，若作業(yè)需要較大的旋轉(zhuǎn)角度，則應(yīng)選用此種。③手臂手臂是機械臂的支撐點，主要是用來支撐雙手和手腕，增加身體的穩(wěn)定性。手臂運動的主要方向就是將手抓住的材料，通過手臂的伸展和收回，左右擺動，手臂的抬高和放下的動作，將材料送到合適的位置，完成工作。(4)導(dǎo)柱整只機械臂都是由一根導(dǎo)向桿來支撐的。本文所介紹的導(dǎo)向柱，可以使手臂轉(zhuǎn)動，同時也可以上升和下降。2、驅(qū)動機構(gòu)機械手想要動起來，想要進行工作，這就需要一個傳動裝置。根據(jù)對機械手的動力來源的不同，我們可以將其分為液壓、氣動、電動和機械四種。四種傳動方式中，最常用的就是液壓傳動，因為它的結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，容易操作。因此，機械臂采用液壓傳動。2.1.2機械手的總體設(shè)計方案本文機械手，這是一種最常用的圓柱座標機器人，它可以用于搬運、測量。這種機器人的外觀更漂亮，結(jié)構(gòu)更簡單，操作更方便，操作也更容易。其穩(wěn)定性也非常好，其結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定，在正常運行時仍能穩(wěn)定運行。本文所用的機械手，包括X，Z，φ三個自由度。其工作領(lǐng)域包括：轉(zhuǎn)動和直線運動。結(jié)構(gòu)簡圖見圖2.1圖2.1圓柱坐標機械手結(jié)構(gòu)簡圖四種機械手臂的基本運動：手臂的伸縮，手臂的上下運動，手腕的旋轉(zhuǎn)和手臂的上升。本論文所述的機械手是指在一根豎向?qū)蛑线M行旋轉(zhuǎn)運動，手臂抬上抬下的運動，伸出去縮回來的運動，手腕是做的旋轉(zhuǎn)運動。2.2驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計2.2.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點通常機械手的運動傳動分為三種：液壓傳動、氣壓傳動和電動傳動。表2.1列出了不同的傳動模式的特征。表2.1常用的驅(qū)動方式內(nèi)容驅(qū)動方式液壓驅(qū)動氣動驅(qū)動電機驅(qū)動輸出功率很大大較大控制機械手控制的精度比較靈敏，功率大，可以連續(xù)的進行控制。控制的精度比較低，效果差，不能實現(xiàn)連續(xù)的控制。控制機械手的精度好，還能準確的對物體定位，使用方便，但是操作比較的繁瑣。響應(yīng)速度很高較高很高驅(qū)動的結(jié)構(gòu)制造的結(jié)構(gòu)比較合理，使用的起來按照一定的模式，比較好操作，可以直接驅(qū)動制造的結(jié)構(gòu)比較合理，使用的起來按照一定的模式，比較好操作，可以直接驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，噪音不高，但是電動機正常都要配有減速的裝置。安全性能很好的防爆，但是液壓驅(qū)動容易產(chǎn)生大火的危險能很好的防爆，但是當氣壓大于1000KPA的時候，要注意機器的壓力不能很好的防爆，但是卻沒有火災(zāi)或者自身不會爆炸差環(huán)保容易有油污泄漏，不符合環(huán)保要求有噪音產(chǎn)生沒有售后維修更換的部件價格高更換的零件價格不高更換的零部件價格高2.2.2驅(qū)動設(shè)計方案啟動機械手有3種動力途徑：液壓、氣壓和電力驅(qū)動。相比其他兩種，液壓驅(qū)動的優(yōu)點有：（1）在組裝機械手的時候，隨意性比較大，不受太大的控制，可以組裝起來一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)。（2）工作起來比較穩(wěn)定，而且啟動起來快，工作的時候比較靈活，在自由度的轉(zhuǎn)換上也不費勁。（3）人們使用起來方便，還可以有自我過載保護的功能，不僅這些，而且還比較方便的能夠自動控制，或者距離比較遠的情況下被人控制。（4）這種液壓驅(qū)動的機械手，前期在制造的時候所采用的零部件相對于氣壓驅(qū)動的零部件，通用性比較好，一般的地方都能夠買的到的材料，所以也就造成了制造起來簡便，材料選購上不用太過費勁，而且材料價格不高。因此本文中各部分的驅(qū)動方案如下：（1）機械手通過液壓驅(qū)動實現(xiàn)相應(yīng)的操作。（2）機械手腕選擇了一個可以前后旋轉(zhuǎn)的氣缸。結(jié)構(gòu)上頭一定要卡的很緊，不能有任何空氣可以進入。（3）利用液壓缸進行機械臂的運動。2.3機械手臂的設(shè)計方案2.3.1機械手的技術(shù)參數(shù)機械手的技術(shù)參數(shù)：工件：機械手材料，體重要有20斤，它的整個長不能超過350mm，活動區(qū)域在60－100mm。工作區(qū)域：拿取物體的時候最高要到1000mm，手臂伸出去再縮回來距離600mm；垂直移動400mm；工作速度：移動速度2m/s，定位精度±0.5mm。2.3.2機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案從上面的設(shè)計和分析，可知手臂需要完成伸縮、升降和回轉(zhuǎn)3個動作，即實現(xiàn)3個自由度。按照上面的我們選用下圖的手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。1-夾持器2-齒條活塞桿3-小齒輪4-銷5-套筒6-銷軸7-壓力彈簧8-法蘭圖2.2齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)圖1、手部夾緊油缸的設(shè)計（1）手部驅(qū)動力計算手的部分驅(qū)動是液壓驅(qū)動，按照機械手手指頭抓住物料的地方，計算抓緊力：(2·1)公式中：N為抓取工件時，N；G-是工件的重量，N所需的夾緊重量是10公斤（G=10×9.8=98n)；θ-是兩根機械手指之間的角的二分之一，V型的兩根手指的角是120度；f-f=0.1的摩擦系數(shù)代入式(2·1)中可以計算出N=424N（2）按照上面結(jié)構(gòu)的圖，液壓驅(qū)動計算公式：(2·2)式中：P理—為理論驅(qū)動力，Nb—就是抓住的物料的從中心點到軸心的距離，b=60毫米R—銷軸與齒輪之間的距離R=17毫米代數(shù)（2）中的計算P理=2993N（3）實際驅(qū)動力：(2·3)式中P實際—為實際驅(qū)動力，Nη—它的工作效率是由齒輪驅(qū)動引起的，所以取η=0.9。k1—為了保證安全，一般用1.2~2表示，在此，k1=1.5。k2—這是一個工作條件系數(shù)，當我們抓住一個工件時，它的最大加速度是a=0.5g，則：k2=1+0.5g/g=1+0.5=1.5所以帶入式（2·3）得P實際=7483N機械手抓住物料的時候液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力就是7483N。2、當機械手指抓住物體的時候，彈簧一定會發(fā)生變化，所以它的作用是：(2·4)式中P彈—是彈簧彈性而產(chǎn)生的彈性λ—是機械手指握住物體的時候，彈簧就會發(fā)生扭曲。mm，λ=25mmG—彈性體的切變模量G=8×1010N/m2d—手指從工件上松開后，恢復(fù)到原來的狀態(tài)。d=3mmC—彈簧的回轉(zhuǎn)率C=D2/d=（D-d）/d=（30-3）/3=9Z—為彈簧的有效圈數(shù)Z=12；將所有數(shù)據(jù)帶入公式（2·4）得P彈=86N3、夾緊缸的工作壓力機械手夾緊物料的時候，夾緊缸上的夾緊活塞工作，它在此時產(chǎn)生的壓力P：（2·5）式中P—就是機械手抓緊物體時候，夾緊活塞工作所產(chǎn)生的壓力，NP實—為實際驅(qū)動力，NP彈—為彈簧變形所產(chǎn)生的彈簧力，NP封—就是封閉起來的地方所產(chǎn)生的壓力，密封啊好了的產(chǎn)生的摩擦力相對工作起來的摩擦力（P=P實+P彈）要稍微小一些，故取P封=（0.05~1）P，取P封=0.06P計算得P=8023N由于活塞的工作壓力是由推進劑產(chǎn)生的，也就是由機械負荷p來平衡的，所以，該夾緊氣缸的工作壓力p是：（2·6）式中D—為夾緊缸直徑，從結(jié)構(gòu)設(shè)計得知D=40mm帶入式（2·6）后可計算p=63.9×105N/m22.4機械手臂伸縮動力液壓缸的設(shè)計2.4.1液壓缸驅(qū)動力計算取油缸的長度l=500毫米，內(nèi)徑是D1=40mm，半徑R=20mm，運行的速率是v1=750mm/s，工作結(jié)束后加快速度Δt=0.1s，油缸內(nèi)注入的油壓P=10×105N/m2。當油進入了汽缸之后，活塞的上升和下降的速率但是運動起來后油流進去油缸的這個流量Q1為：（2·7）式中：D—油缸（或活塞）直徑，mm，D1=40mmQ1—輸入無桿腔的流量，L/minv1—活塞的移動速度，m/s，v1=750mm/s帶入（2·6）計算可得流量Q1=56.5L/min無桿空腔的液壓油對活塞施加的壓力P1，也就是液壓缸的驅(qū)動力：（2·8）p—當油進入氣缸時，N；P1—液壓缸用氣壓控制的，N；引入運算P1=1256N。當油進入到汽缸里面的時候，活塞的上升速率v1，但是當它移動的時候，油就會進入到汽缸里面Q2為：（2·9）式中：d—活塞桿直徑（mm）；d=20mm；Q2—輸入無桿腔的流量，L/min；v2—活塞的移動速度，mm/s，v2=1500m/s；則流量Q2為計算可得，Q2=84.8L/min。P2就是液壓驅(qū)動啟動以后這個液壓缸所產(chǎn)生的動力：P2=942N。2.4.2尺寸計算和校核1、手臂伸縮油缸的設(shè)計與校核本文所設(shè)計的液壓油缸，其所需的能量由右側(cè)油缸供給，然后驅(qū)動臂部進行伸縮運動。在設(shè)計這個油缸的時候，要考慮到油缸在工作中所受到的阻力，只有這樣，水缸才能正常工作，運行穩(wěn)定。從前文所做的機械結(jié)構(gòu)簡化圖來看，曲柄曲線的設(shè)計對于夾具機構(gòu)的設(shè)計至關(guān)重要。據(jù)了解，此氣缸的有效形狀為600mm，經(jīng)測定，內(nèi)徑為40mm，此處設(shè)計的內(nèi)徑，將在下文中加以驗證。（1）計算作用在活塞上的總機械載荷為了對液壓缸的受力進行更好的分析，并對其進行了力的計算。繪出了圖2.3號汽缸的受力曲線。對活塞施加的機械負荷P是：P驅(qū)=P工+P導(dǎo)+P封+P慣+P回。圖2.3缸的受力圖1）工作阻力P1在進行P型設(shè)計時，必須在實際操作中根據(jù)氣缸的實際運行情況來進行計算。只有通過分析，才能判斷出這個數(shù)字是正還是負。通過分析，我們知道P工等于0。2）導(dǎo)軌裝置的摩擦力P導(dǎo)，P導(dǎo)形的確定主要是根據(jù)數(shù)值的大小來決定，本文將采用初步估計方法。此結(jié)構(gòu)為圖2.3中所示的雙向?qū)U，其導(dǎo)桿的接觸面呈圓柱形。所述引導(dǎo)機構(gòu)在所述氣缸的兩側(cè)對稱。根據(jù)上述的受力分析，可以看出，在導(dǎo)向氣缸前進和后退的裝置處，其值最大，以下為：根據(jù)上述已知信息，導(dǎo)向桿的數(shù)目是兩根，分別在180度以上。這意味著只需要根據(jù)公式來計算即可獲得答案：（2·10）式中：G總—參加這項活動的所有部件的重量，N，80kg；L=50mm；a—導(dǎo)向支承的長度，mm，a=160mm；μ—根據(jù)相關(guān)手冊取μ=0.1；μ1—正常的圓柱上面μ1=1.27~1.57，取μ1=1.4；則可以計算P導(dǎo)=182N。3）密封件上的摩擦力P封通過分析，我們了解到，在油缸工作和操作期間，P封是多個數(shù)值的綜合。即：（2·11）在本文中設(shè)計的液壓缸壓力不大于100×105N/m2，伸長桿一般是液壓缸內(nèi)部直徑的0.5倍，密封的形式采用O型。綜上所述得知P封1+P封2=0.03p1=0.03×1256=37.7N伸縮油管處的摩擦阻力P封3為：（2·12）公式中μ-密封圈與配合表面的摩擦因數(shù)，與密封圈的形狀、材料與配合部位的材料及油壓有關(guān)。在O形橡膠密封件的油壓下，p<100×105N/m2時，μ=0.023~0.05。在油液高壓下，μ值為小，低壓μ為大，在此設(shè)計中，μ為0。P—密封處的工作壓力N，P=10×105N/m2；d—伸縮油管直徑m，d=0.006m；l—密封的有效長度m；查閱相關(guān)設(shè)計資料得到估算（2·13）式中：k—壓縮率，一般為0.08~0.14，在這里取k=0.12，d0是直徑。則l=0.0014m；帶入（2·12）可以計算出P封3=1.1N。P封=P封1+P封2+P封3=37.7+1.1=38.8N4）慣性力P慣在設(shè)計的臂膀在工作的初期，桿的受力是平均的，即：（2·14）式中G總—上面已經(jīng)解釋，N（包括被抓物件重量）G總=80kg；g=10m/s2；Δv=0.75m/s；Δt—啟動過程的時間s，Δt=0.1s；則可以計算出P慣=600N。5）背壓阻力P回油缸低壓油液所造成的阻力。正常情況下P回=0.05P工計算。由于P工=0，故P回=0。所以P驅(qū)=P工+P導(dǎo)+P封+P慣+P回=0+182+38.8+600+0=821N因為P驅(qū)=821N<P=1256N，因此，這種氣缸的大小完全滿足了工作的需要。6）導(dǎo)向裝置其主要功能是將設(shè)計的油缸按預(yù)定的軌道進行相應(yīng)的伸縮、升降。在分析了機械臂的結(jié)構(gòu)和成本之后，我們選擇了一個沿周向180度對稱的導(dǎo)軌，這樣既可以保證機械臂的工作，又可以增加工作中的穩(wěn)定劑。2、手臂升降油缸的設(shè)計與校核綜上所述，已知起重的有效沖程為1=400毫米，而液壓缸在工作時的轉(zhuǎn)速為2000毫米/秒。Δt=0.1s，液壓缸內(nèi)部的直徑D1=80mm，也就是R=40mm，工作口進入時候p=50×105N/m2，在垂直工作的時候G總=900N。驅(qū)動力P驅(qū)為：P驅(qū)=P工+P背+P慣+P摩+P封由經(jīng)驗公式可得：P工=G總=900N；P背=0.05P工=0.05×900=45N；P慣=225N；P摩=0.1G總=90N；P封=54N。故P驅(qū)=900+45+225+82+54=1304N。作用在活塞上的推力P：P=25120N。因為P驅(qū)=1304<P=25120N，所以伸縮油缸的尺寸符合要求。3、手臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計與校核為了更好地進行設(shè)計、分析和在設(shè)計，繪制出圖2.4運動圖。圖2.4運動圖初步設(shè)計液壓缸內(nèi)部的直徑D1=100mm，也就是R=50mm，回轉(zhuǎn)桿D2=40mm，也就是R=20mm，油缸運行角速度ω=90°/s，加速度時間Δt=0.5s，進油壓力p=50×105N/m2。依據(jù)公式：M驅(qū)=M慣+M封在此公式中，在密封裝置上的摩阻扭矩，在旋轉(zhuǎn)時，與有關(guān)的零件之間的摩擦所造成的阻力的扭矩也應(yīng)該包括。在查閱了有關(guān)的設(shè)計手冊后，我們發(fā)現(xiàn)：其中：（2·15）上述公式的計算結(jié)果用厘米作為單位表示，上述工作中所提到的b1是在密封裝置與氣缸結(jié)合之后的有效數(shù)字寬度。由設(shè)計估算：—根據(jù)有關(guān)的設(shè)計手冊，我們可以推導(dǎo)出由慣性力引起的力矩。（2·16）式中Δω—回傳的缸在工作的時候產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動的角速度，其Δω=ω。Δt—起動過程的時間，sJ0—運動部件在工作，這里說的運動部件工作指的是旋轉(zhuǎn)，也包括了工件圓周旋轉(zhuǎn)的慣性，以N·m為單位。經(jīng)過和同學(xué)、老師和自己的分析，我發(fā)現(xiàn)J0的運算并不是一件簡單的事情，它所包含的零件，都是由成千上萬的零件組成，不同的外形，不同的引力，所得到的數(shù)據(jù)，都會有很大的差別。在此，尋找一種普遍的計算方法，以便進行簡便的計算。他將所有的復(fù)雜部件都設(shè)計成了一個相對簡單的部件，再將這些部件一一的計算出來，最后得出了自己想要的數(shù)字，這個問題就迎刃而解了。，，手臂回轉(zhuǎn)力矩：得出結(jié)論M驅(qū)=128N·m<M=210N·m根據(jù)以上的設(shè)計，可以清楚地看出，這個數(shù)值要小于兼容的數(shù)值，從而讓這個設(shè)計更加的合理。2.5手腕的驅(qū)動計算2.5.1手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩按照四個自由度的設(shè)定，手臂和手腕的旋轉(zhuǎn)，就是一個自由度。設(shè)計的工作轉(zhuǎn)矩必須比由于障礙物而引起的扭矩值要大。為更好地進行臂腕結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析。畫出了胳膊和手腕的力量曲線。1、工件2、手部3、手腕圖2.5受力圖通過上面的詳細的分析，得知手臂腕部力矩的數(shù)值的計算可以通過下面的計算來進行：（2·17）依據(jù)上面的計算公式，我將對上面的4個組成部分進行一一的計算和校核，下面數(shù)值的計算主要依據(jù)上面的一個受力圖2.5。1、機械手的腕部提高速度的時候所產(chǎn)生的力M慣假如機械手的腕部開始工作提高速度運動，那么可得公式（2·18）公式J-機械臂旋轉(zhuǎn)時的慣性，N·cm·s2；J1—在機械手的腕部轉(zhuǎn)動的時候產(chǎn)生的慣性，N·cm·s2；ω—機械手的腕部轉(zhuǎn)起來的時候所產(chǎn)生的速度，還有弧度/s；Δt—機械手臂的啟動所需要的時間，s如果被夾持材料的中心與旋轉(zhuǎn)的中心線不重合，那么它轉(zhuǎn)動起來的慣性所產(chǎn)生的力量J1為：（2·19）式中：Jc—被抓取的物件轉(zhuǎn)過重心點所產(chǎn)生的慣性的力量，N·cm·s2；G1—工件的重量N；e1—工件的中心與旋轉(zhuǎn)軸之間的距離，cm；ω—手腕轉(zhuǎn)動時的角速度，弧度/s；Δt—起動過程所需的時間，s；Δψ—起動過程所轉(zhuǎn)過的角度，弧度；2、機械臂的手腕旋轉(zhuǎn)和被抓住的材料的重量引起機器人的偏心M偏：M偏=G1e1+G3e3，N·cm式中：G3—機械手的手腕在拿著工件轉(zhuǎn)動的時候它的重量，N；e3—機械手拿著東西轉(zhuǎn)動的時候整體重量的重心到轉(zhuǎn)動的時候產(chǎn)生的軸線的重心的距離，叫偏心距離；機械手在拿著物料的時候整體的重心跟機械手手腕轉(zhuǎn)動的時候產(chǎn)生的軸線相符合的時候，那么G1e1=0。3、機械手的手腕在轉(zhuǎn)動的時候產(chǎn)生的摩擦力和阻力M封，式中：d1，d2—旋轉(zhuǎn)起來的軸它喉嚨部分的直徑，cm；f—摩擦所產(chǎn)生的系數(shù)，滾動起來的軸f=0.01，滑動起來的軸f=0.1；RA，RB—處支撐起來的反力，N；可以遵循機械手的腕部轉(zhuǎn)動起來產(chǎn)生的力量來剖析，根據(jù)ΣMA（F）=0，得：同理，根據(jù)ΣMB（F）=0，得：式中：G2—手部的重量N；l，l1，l2，l3—如圖2.5所示的長度尺寸，cm。2.5.2旋轉(zhuǎn)液壓缸計算與校核如圖2.6所展示的，機械手的腕部環(huán)繞著X軸來運動，稱之為來回旋轉(zhuǎn)運動，環(huán)繞著Y軸的運動，稱之為上下運動，圍繞著Z軸的運動，又稱之為左右運動，還可以順著Y軸的路線來進行橫向的運動。所以，機械手的手腕最多的時候能有四個單獨不重復(fù)的運動。圖2.6手腕運動示意圖機械手的手腕它能工作的方向的選擇和機械手的使用的普遍性，加工的時候工藝的要求，加工時候物料如何擺放，如何定位等多種原因有關(guān)系。因為本文所設(shè)計的機械手拿取的物料是水平擺在臺面上的，與此同時還需要考慮使用的普遍性，所以機械手手腕需要設(shè)計一個圍繞著X軸旋轉(zhuǎn)的運動才行，因此這里選擇回轉(zhuǎn)油缸，因為它在實際操作里面被用的最多，主要因為它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很緊湊，而且密封也很好，所以大部分人都在采用。本文所設(shè)計的油缸它的內(nèi)部直徑是D1=90mm，半徑是R=45mm，旋轉(zhuǎn)軸承的直徑D2=20mm，旋轉(zhuǎn)軸承半徑是R=13mm，液壓驅(qū)動的時候里面油缸轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的角度是ω=306°/s，加起速度以后產(chǎn)生的時間Δt=0.1s，油缸工作起來后所產(chǎn)生的壓力80×105N/m2，動片寬度為50mm。力矩：（1）測量一下確定了手腕部分的重量m1=10kg，這些重量在機械手上的分布，每個部件均勻的分布在r=60mm的底座上，這樣的話轉(zhuǎn)動起來以后產(chǎn)生的慣性的力量：機械手所拿取的物料的重量為20g，這么大的重量均勻的布局在長度為的機械手上，這樣的話轉(zhuǎn)動起來以后產(chǎn)生的慣性的力量為：如果拿取的物料的中心點和轉(zhuǎn)動起來形成的線不復(fù)合的話，那么對于長度為350mm的手臂來說，產(chǎn)生的偏差的距離就175mm，則它轉(zhuǎn)動起來產(chǎn)生的慣性的力量計算：則：（2）機械手的腕部轉(zhuǎn)動起來和拿著物料轉(zhuǎn)動起來形成的中心點，兩個中心點肯定會有偏差，這么偏差膠制作M偏，我們假象機械手手腕轉(zhuǎn)動起來的重心和轉(zhuǎn)動起來的軸線相復(fù)合，e1=0，機械手的手腕拿著一個物料的時候重心就會由原始旋轉(zhuǎn)引起的偏離軸線e3=175mm，則M偏=G1e1+G3e3式中：G1—在機器人的腕部前后旋轉(zhuǎn)處的重力；G3—機械臂所持材料的重量N；計算可得M偏=10×10×0+5×10×0.175=109N·m（3）手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為M摩因為采用了液壓驅(qū)動，所以潤滑更好，通過經(jīng)驗了解到的摩擦扭矩非常的小，所以可以忽略。（4）回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等密封件的摩阻扭矩M封M封=2M封1+2M封側(cè)+M封徑式中：M封—用于轉(zhuǎn)動缸