四自由度搬運機械手的設計與運動仿真

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1、 摘要 在機械制造業(yè)中，機械手已被廣泛應用，改善了工人的勞動環(huán)境，顯著地加快了生產節(jié)奏，提高了勞動生產率，工業(yè)生產的機械化和自動化程度得到了提高。 本文先對機械手的國內外研究現(xiàn)狀以及搬運機械手的應用背景和需求分析進行分析，對本課題任務進行了四自由度搬運機械手的總體方案設計。首先，確定了搬運機械手的自由度為四自由度；其次，本文設計了四自由度搬運機械手的夾持式手部結構、手臂結構、機身、機座、驅動系統(tǒng)等部分，實現(xiàn)了四自由度搬運機械手的水平回轉，軸向移動，豎直升降，手部的旋轉四個自由度及手爪的開合。本文通過針對四自由度搬運機械手的整體設計，設計出了一種具有模塊化、高可靠性物料的搬運機械手，對其他

2、經濟型搬運機械手的設計也有一定的借鑒作用。 關鍵詞：四自由度；機械手；氣動驅動；運動學仿真 I Abstract In machinery manufacturing, robots have been widely used to improve workers labor environment, significantly speed up production, increase labor productivity, and increase the degree of mechanization and automation of industrial prod

3、uction. This paper first analyzes the research status of manipulators both at home and abroad, as well as the application background and demand analysis of the handling robots. The overall program design of the four-degree-of-freedom transport manipulator is performed on the tasks of this project.

4、 Firstly, the degree of freedom of the handling robot is determined to be four degrees of freedom. Secondly, this paper designs the gripping hand structure, arm structure, fuselage, frame and drive system of the four-degree-of-freedom handling robot and realizes four freedoms. Degree of rotation of

5、the handling robot, axial movement, vertical lifting, four degrees of rotation of the hand and the opening and closing of the hand. In this paper, by designing the overall design of a four-degree-of-freedom handling robot, a handling robot with a modular, high-reliability material is designed, which

6、 also has a certain reference for the design of other economical handling robots. Keywords: four degrees of freedom; manipulator; pneumatic drive; kinematics simulation 目錄 第1章 緒論 1 1.1選題背景及研究意義 1 1.2 機械手概述 1 1.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3.1國外機械手發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.3.2國內機械手發(fā)展現(xiàn)狀 2 1.4課題的主要研究內容 3 第2章 四自由度搬運機械手的

7、總體方案設計 4 2.1工作原理 4 2.2 基本參數(shù)要求 4 2.2.1基本參數(shù)的確定 4 2.2.2設計要求 5 2.3整體方案 5 2.4小結 6 第3章 四自由度搬運機械手的機械結構設計 7 3.1底座的設計 7 3.2手部的設計 7 3.2.1機械手手部結構的計算 7 3.2.2豎直升降模塊的設計 8 3.2.3水平伸縮模塊的設計 9 3.3腕部的設計 10 3.3.1 概述 10 3.3.2 手腕驅動力矩的確定 10 3.4臂部的設計 12 3.4.1手臂運動機構的選擇 12 3.4.2手臂偏重力矩的確定 12 3.5小結 13 第4章 四自

8、由度機械手驅動系統(tǒng)設計 14 4.1氣動元件的選用 14 4.2氣動系統(tǒng)中各控制和輔助元件的選用 15 4.2.1方向控制閥的選用 15 4.2.2流量控制閥的選用 16 4.2.3壓力控制閥的選用 16 4.3液壓模塊計算 16 4.3.1 液壓缸活塞的驅動力的計算 16 4.3.2液壓缸的結構尺寸 19 4.4活塞桿的設計 21 4.4.1活塞桿的計算 21 4.4.2活塞桿的穩(wěn)定性校核 21 4.5手臂旋轉設計 23 4.6 手臂升降設計 25 4.6.1臂部做升降運動時油缸的相關計算 26 4.6.2油缸內徑的計算 26 4.6.3油缸壁厚的計算 27

9、 4.6.4活塞桿的計算 28 4.7小結 29 第5章 四自由度機械手液壓系統(tǒng)設計 30 5.1機械手液壓缸的受力情況 30 5.1.1 大臂升降缸的受力情況 30 5.1.2 手爪夾緊缸的受力情況 30 5.1.3 手臂伸縮缸的受力情況 30 5.2液壓元件的選擇 30 5.3液壓系統(tǒng)原理圖 31 5.4小結 31 第6章結論 33 致謝 34 參考文獻 35 附錄 36 V 第1章 緒論 1.1選題背景及研究意義 機械手的研制，加快了世界科技發(fā)展的進程；機械手的誕生，是工業(yè)制造史上的重大突破，提高了工業(yè)制造生產的水平。在這樣的背景下，

10、制造業(yè)里面的機械手發(fā)展的很是迅速，并且有著十分廣泛的應用范圍。機械手的動作都是設計好的，主要通過程序來控制機械手去完成規(guī)定制定的行為動作，它主要用于枯燥重復的流水線工作的完成，特別在一些高溫、危險的環(huán)境里，去完成對人來說有困難的工作。雖然目前的機械手是比較成熟的，但是由于機械手的制造成本昂貴，因此目前僅應用于航天航空等高端領域。所以制造成本低、可以滿足低端領域使用的四自由度搬運機械手的設計就刻不容緩了。 一旦這種新型機械手問世，人類不僅會從傳統(tǒng)的手工加工方式中解脫出來，還能讓人類的生產率得到大幅的提高，進而改善人類的工作環(huán)境，從而讓人類的生活變得越來越美好。這種機械手主要功能是代替人去完成繁

11、重而單調的重物搬運和物品分揀工作[1]。機械手的研制不僅有利于生產的機械化和自動化程度的提高，還可以減少人力的浪費，加快生產的節(jié)奏，因此對這種機械手的進一步研制就顯得尤為重要。 1.2 機械手概述 本課題研究設計搬運機械手的自由度個數(shù)是四個。四自由度機械手的運動原理基本相同，但是由于使用領域的不同，所以其結構的設計還是有很大的區(qū)別。雖然結構上有些差異，但是機械手的設計主要是設計機械手的控制系統(tǒng)還有驅動系統(tǒng)和傳動執(zhí)行機構這三方面。只有這三方面設計的合理，機械手才能正常運行。 1.3 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 1.3.1國外機械手發(fā)展現(xiàn)狀 世界上第一臺機械手是

12、1958年美國聯(lián)合公司發(fā)明出來的，控制系統(tǒng)是簡單的示教型的。后來科學家在此基礎上進行了改造，設計出了第二代機械手，對新一代的機械手設計了更多的新功能，實用性也增加了不少。隨后的時間里，美國機械鑄造公司、Unimate公司等公司對機械手的研發(fā)都很熱情，研究出了具有更多功能的機械手。 日本從1969年在美國進口了一批機械手后，充分發(fā)揮了其學習模仿的能力，經過對機械手的研究，日本工業(yè)迅速崛起，尤其是汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，成就了“工業(yè)發(fā)展最迅速”的神話。 現(xiàn)在國外對機械手的研發(fā)已經很先進了，已經開始從觸覺和視覺方面去研制新型的機械手了。這樣的機械手能夠感應外界實物，不僅能夠聽到外界的聲音，還能夠看到

13、外界的視野，這樣高端的功能是非常厲害的。目前國外工業(yè)機械手的發(fā)展方向是柔性制造系統(tǒng)的一整條生產線的全自動化生產。 圖1.1 美國早期機械手圖 圖1.2 日本機械手圖 1.3.2國內機械手發(fā)展現(xiàn)狀 在上個世紀八十年代，國內才開始對機械手進行研究，足足比發(fā)達國家對機械手的研究要晚了幾十年。我國的第一臺機械手是在上海被研發(fā)成功的，隨后其他城市對機械手的研究才開始進行。隨著經濟改革開放，國家對機械手的研究力度提高了，并且投入了大量的科研人員和大量資金。 圖1.3 國內機械手圖 現(xiàn)在我國研發(fā)的機械手主要還是用在工業(yè)方面，在其他

14、領域的研發(fā)進境不是太好。雖然我國的機械手運用在了工業(yè)方面，但是自主研發(fā)的機械手因為產量少，且達不到一些精密儀器生產的要求。一些高精度加工還是引進國外淘汰的機械手，引進機械手的成本較高，所以我國能用得起機械手的工業(yè)企業(yè)還是很少的。 1.4課題的主要研究內容 機械手主要是用在工業(yè)制造生產上，對物品做流水線式的搬運工作。對于機械手的功能要求并不多，主要完成大的工作是實現(xiàn)物體的來回搬運。本文機械手設計的研究內容如下： （1）機械手的工作原理 機械手的定位；機械手的旋轉動作和抓取動作；機械手的復位功能。 （2）機械手的機械結構模塊設計 機械手的結構設計包括機械手底座、手部、腕部、臂部的設計

15、。 （3）機械手的驅動系統(tǒng)模塊設計 機械手的驅動模塊設計包括氣動和液壓兩部分。 （4）機械手的液壓系統(tǒng)模塊設計 機械手的液壓模塊設計包括機械手工作時液壓缸的受力情況、液壓元件的選取和機械手工作時的液壓原理圖的設計。  第2章 四自由度搬運機械手的總體方案設計 2.1工作原理 四自由度搬運機械手的工作原理是仿造人類手臂關節(jié)的活動結構，來實現(xiàn)各種復雜動作的運動的，一般機械手都運用在環(huán)境惡劣、流水線或者是危險性的工作環(huán)境下。本文設計的這種四自由度搬運機械手主要功能是搬運，具體來說就是把一個地方的物品搬運到固定位置上去，這樣的自動化設備可以有效減輕勞動力。本文設計的這種四自由度

16、搬運機械手運用在流水工作線上[2]，所以對四自由度搬運機械手的活動順序和對時間的掌控都有比較高的要求了。四自由度搬運機械手在搬運物體時，要保證機械手能平穩(wěn)，快速，精準的運行。機械手原理圖如圖2.1所示。 圖2.1機械手的結構簡圖 2.2 基本參數(shù)要求 2.2.1基本參數(shù)的確定 機械手的設計主要包括結構、功能和各種驅動及動力系統(tǒng)的設計，機械手的基本參數(shù)的確定應該是機械手的第一步。本文設計機械手的基本參數(shù)如下表所示[3]。 表2-1 機械手工作過程中的主要參數(shù) 2.2.2設計要求 本課題設計的搬運機械手，要求由四個方向的運動，分別是手臂可以旋轉，還

17、有手臂能夠繞著軸來擺動，最后是手臂可以夾緊松開，達到加持物品的效果。 機械手的工作過程可分為： 1）機械手運動的實現(xiàn)是利用電機傳遞的動力，帶動傳動軸、齒輪運動，進一步帶動機械手的運動； 2）手部的運動的實現(xiàn)是靠凸輪驅動擺桿，進而帶動齒輪轉動，最后經過內部機構的帶動； 3）利用凸輪的運動原理，使圓通實現(xiàn)移動，進而帶動手臂進行擺動； 4）轉盤的往復回轉的實現(xiàn)是通過圓柱凸輪帶動齒條、齒輪轉動完成的。 2.3整體方案 在設計機械手的結構時候，要對實際的工作環(huán)境還有使用情況詳細分析，然后根據(jù)情況來設計能夠符合要求的機械手才行。機械手的設計需要滿足的條件：①要留足機械

18、手的工作空間，并且設計的機械手應能夠以多種運動形式完成不同要求的工作。②機械手的結構設計，應該在滿足機械手具體的工作環(huán)境和要求的前提下，通過對人的手臂功能的模仿學習之后，進行機械手的具體結構、機械手的姿態(tài)和運動方式的設計[4]。 圖2.2機械手實物圖 圖中1—機座，2—液壓缸，3—旋轉關節(jié)，4—手臂，5—手爪，6—法蘭盤7—手桿。 2.4小結 本章對四自由度搬運機械手的工作原理進行了詳細的描述，確定了機械手的基本參數(shù)和設計要求，明確了機械手的整體設計方案。 第3章 四自由度搬運機械手的機械結構設計 3.1底座的設計 機械手的底座的主要作用是承重，不僅要承受機器人全部

19、重量，還要承受機械手的工作載荷，因此需要有較大的強度和剛度。機械手能否正常工作，取決于底座的安裝基面的大小。 由于機械手對底座的結構要求較低，只要機械手的定位合理即可，本課題設計的機械手其底座如圖所示。 圖3.1底座三維圖 3.2手部的設計 3.2.1機械手手部結構的計算 機械手夾持爪要根據(jù)手爪的工作環(huán)境來選取，主要參考依據(jù)有被搬運物品的質量、大小、形狀和機械手夾持爪的工作行程，本課題所設計的機械手的參數(shù)為:M=30.0kg,夾持點和轉軸中心的最大力臂為46.0mm,由這些參數(shù)來確定夾持手爪的規(guī)格。夾持手爪夾持物品的夾持力的計算如下[5]：

20、 公式(3.1) 式中 ——安全系數(shù)，(取值為1.2~2)； ——工況系數(shù)，一般情況下受器件慣性力的影響較大, a——被搬運物品的加速度， g——被搬運物品的重力加速度； ——位置系數(shù)； G——被搬運物品的重量； 分別取,,;則由能公式(3.1)可得: 公式(3.2) 所以夾持力矩(取最小的夾持力計算) 為: 公式(3.3) 由計算結果知，

21、可選取型號為SMC,MHC2- 16D- A198S的手爪，其主要參數(shù)：（1）手爪開合時間0.03s；（2）手爪的夾持力矩75N.m；（3）重復定位精度為0.02mm。 圖3.2手爪結構圖 3.2.2豎直升降模塊的設計 豎直臂的作用是控制機械手的升降，它的驅動方式是氣壓驅動，因為豎直臂不易定位，考慮到工作中工作行程和工作壓力等因素的影響，所以本設計選取了雙聯(lián)氣缸。 由于活塞桿要克服載荷收縮做工，所以氣缸的內徑D的大小要結合機械手工作壓力和工作載荷來確定，具體過程如下： 公式(3.4)

22、 式中 D——氣壓缸的內徑m； F——氣壓活塞受到的載荷N； P——氣壓缸受到的壓力Pa； η——氣缸總的機械效率（的取值范圍0.3~0.5）； 考慮到氣缸中活塞桿的直徑和具體工作情況的影響： 公式 (3.5) 將 ，代入公式（3.5）計算得： 公式（3.6） 式中 t——豎直臂氣缸的伸縮時間， s——豎直臂氣缸的收縮行程， F——豎直臂氣缸的收縮行程， 3.2.3水平伸縮模塊的設計 因為水平臂只在平面內運動，且僅有

23、一端需要定位，所以采用水平鋼桿和氣壓缸組合使用的方法來保證了水平臂的剛性，選用筆形氣缸就可達到設計要求。 將 ，代入式（3.5）計算得： 公式（3.7） 式中 t——豎直臂氣缸的伸縮時間， s——豎直臂氣缸的收縮行程， F——豎直臂氣缸的收縮行程， 根據(jù)3.2.2和3.2.3的計算結果，選取型號為SMC,CXSM10-70-Z75的氣缸，其重復定位精度為0.020mm。 3.3腕部的設計 3.3.1 概述 機械手的手部與臂部是靠腕部進行連接的，腕部對手部有支承作用。因為腕部作用的重要性，所以腕部的結構設計盡量緊湊

24、，材料選取密度較小的，這樣的腕部重量較輕，轉動起來比較靈活[6]。 本課題設計的機械手腕部具體結構如下圖所示。 圖3.3腕部結構圖 3.3.2 手腕驅動力矩的確定 機械手手腕回轉時，啟動產生的慣性力矩、轉動軸與支承孔之間的摩擦阻力矩、密封裝置的摩擦阻力矩、轉動的重心與軸線不重合產生的偏重力矩對手腕的回轉影響較大，因此在設計手腕時就不得不從這幾方面進行入手。手腕轉動時驅動力矩具體可按下式來計算[7]： 公式（3.8） 式中 M驅——驅動手腕轉動的驅動力矩 M慣——慣性力矩 M偏——參與轉動的零部件對轉動軸線所產生的偏重力矩

25、 M摩——手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 腕部回轉時受力如圖所示。 圖3.4腕部回轉力矩圖 ⑴ 摩擦阻力矩M摩 公式（3.9） 式中 f——軸承摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=0.020，滑動軸承取f=0.10； N1 、N2 ——軸承的支承反力； D1 、D2 ——軸承直徑 由設計參數(shù)得,, ,,， f=0.10。 由公式（3.9）代入數(shù)值計算可得 公式（3.10） ⑵ 工件重心偏置力引起的偏置力矩M偏

26、 公式（3.11） 式中 G1——工件重量（N） e——偏心距 將e=0.02，G1=300N代入公式（3.11）計算得 公式（3.12） ⑶ 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣 公式 （3.13） 式中 ——手腕回轉角速度（1/s） t——手腕啟動過程中所用時間（s） J——手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kgm） J工件——工件對手腕回轉軸線的轉動慣量（

27、kgm） 由已知計算得J=3.0，J工件 =6.0，=0.30m/ m,t=1.50s,代入公式（3.13） 得 公式（3.14） 由于受到驅動缸密封處摩擦損失的影響，設計時M的取值應該比理論值偏大 ，一般按下式進行計算[8]。 公式（3.15） 將公式（3.10）、（3.12）、（3.14）計算的結果代入得 公式（3.16） 綜上計算知手腕驅動力矩為12.12 3.4臂部的設計 3.4.1手臂運動機構的選擇 臂部不僅是用來支承手部和腕部的主要部件，也是機械手的主要執(zhí)行部件。它

28、不僅承受手臂自身的重量，還要承受手部、手腕、和被抓取工件的重量。手臂的設計是否合理將直接影響機械手的工作性能，因此手臂的設計必須考慮以下因素的影響[8]： ①機械手的抓取重量、運動形式、運動速度和定位精度的要求 ② 手臂受力情況、導向裝置和油缸的分布、手腕與內部管路的連接方式。 綜合剛度、導向性、偏重力矩和穩(wěn)定性等因素對機械手臂部的設計的影響，本設計選擇的手臂運動機構為雙導桿伸縮機構，其驅動方式為液壓驅動,液壓缸選取雙聯(lián)液壓缸。 3.4.2手臂偏重力矩的確定 手臂偏重力矩的計算公式 公式（3.17） 經過初步計算可得，，，。 所以手臂所受

29、的外力為 公式（3.18） 初步取各部分長度為，，， 計算出平均偏重長度為 公式（3.19） 由公式（3.17）代入數(shù)據(jù)計算得偏重力矩為 公式（3.20） 3.5小結 本章確定了機械手的機身底座、手爪的相關數(shù)據(jù)以及確定了水平升降模塊和垂直升降模塊的氣缸內徑和型號,對機械手的手臂、腕部和臂部進行了設計。 第4章 四自由度機械手驅動系統(tǒng)設計 4.1氣動元件的選用 氣壓泵是氣壓回路的心臟，主要為回路提供動力。進行氣動回路設計時，首先要完成氣壓泵的選擇。而氣壓泵的選擇主要確定氣壓泵的類型和氣壓泵具體型號，氣

30、壓泵的類型要根據(jù)氣壓回路對氣壓的特性要求來確定，氣壓泵的具體型號是由氣壓回路中氣壓缸的耗氣量總和、所需的氣體壓力、氣壓泵的吸入流量和氣壓泵的輸出氣壓進行參考選取的[10]。 氣缸的換氣量Q主要受氣缸的直徑D、氣缸的動作時間、行程S、氣缸管道內的容積、換向閥到氣缸管道的容積等因素的影響，為了方便計算，一般忽略這些因素的影響，因此在單位時間內氣缸內空氣耗氣量Q的計算過程如下： ， 公式（4.1） 式中 Q——在單位時間內氣缸壓縮氣體的消耗量(m3s)； Q1——無活塞桿端氣缸進氣的情況下壓縮氣體的消耗量（m3s)； Q2——有

31、活塞桿端氣缸進氣的情況下壓縮氣體的消耗量（m3s)； t1、t2——氣缸內活塞的往返程時間（s）； S——氣缸內活塞的行程（m）； D——氣缸內部的直徑（m）； d——氣缸內活塞桿的直徑（m）； ①水平臂氣缸內的壓縮空氣耗氣量計算過程如下： 由公式（4.1）計算得： 公式（4.2） 式中 t——水平臂氣缸壓縮空氣的時間，t=0.6s s——水平臂氣缸壓縮空氣的行程，s=60mm D——水平臂氣缸的缸徑，D=13mm ②豎直臂氣缸內的壓縮空氣耗氣量計算過程如下[10]： 由公式（4.1）計算得：

32、 公式（4.3） 式中 t——豎直臂氣缸壓縮空氣的時間，t=0.5s s——豎直臂氣缸壓縮空氣的行程，s=70mm D——豎直臂氣缸的缸徑，D=35mm 綜上①②兩部分的計算,本課題最后選用參數(shù)為：LB:0.0178; 220V50HZ; 0.80MPa；0.245kw的氣壓泵。 4.2氣動系統(tǒng)中各控制和輔助元件的選用 在氣動系統(tǒng)中，氣壓泵、控制閥、氣動回路和執(zhí)行氣動缸的相互配合是機械手完成指定的工作要求和任務的關鍵。氣動控制閥保證了整個氣動回路的有序運行，氣動回路中的各類控制閥控制各執(zhí)行元件的動作順序和速度

33、的方式是通過改變壓縮空氣的方向和流量來控制的，氣壓泵的壓縮空氣進而帶動各氣壓缸等執(zhí)行元件的工作。 4.2.1方向控制閥的選用 在氣壓回路中，執(zhí)行元件的啟動、停止和方向變化是由方向控制閥來控制的。它的工作原理是通過改變壓縮氣體的方向及通斷，來控制氣動回路中的執(zhí)行元件完成指定要求的工作。方向控制閥種類較多，可以將其分為如下3類[11]： （1）按閥內空氣流通方向分為：①單向型控制閥；②雙向控制閥。 （2）按控制方式分為：①電磁控制型換向閥；②氣壓控制換向閥；③機械換向閥；④人力控制閥。 （3）按照定義分為：①按閥內換氣端口的數(shù)量定義為幾通閥②按閥內閥芯有、切換工作位置的數(shù)目定義為幾位閥

34、。 所研究的機械手要滿足①自動控制的要求②氣缸工作時的具體要求，綜合考慮了機械手的技術要求，所以本課題選擇了先導性2位5通電磁換向閥。 4.2.2流量控制閥的選用 通過流量控制閥對機械手的各個動作元件的速度進行有效的控制，機械手才能保證其動作過程的完整進行。流量控制閥是通過控制流過流量控制閥的氣流流通截面積的改變來控制氣動回路中的流量，流量控制閥大體上可以分為3種：①排氣節(jié)流閥②節(jié)流閥③單向節(jié)流閥。因為本課題所選用的是雙向工作氣缸，所以需要2個單向節(jié)流閥組合的來實現(xiàn)。 4.2.3壓力控制閥的選用 壓力控制閥作為氣動回路中首選氣壓元件，它的功能是控制回路中氣流壓力的變化，按照功能可以

35、將其分為：①減壓閥；②順序閥；③溢流閥（安全閥）。本課題所選用的是溢流閥，它主要用于氣壓泵的出口處，當回路中壓力過大時，可以對整個回路起到過載保護作用。 4.3液壓模塊計算 4.3.1 液壓缸活塞的驅動力的計算 本課題所設計機械手的手臂伸縮速度為250.0mm/s，其行程L=400.0mm，其抓重300.0N； 公式（4.4） 式中 ——摩擦阻力； ——密封裝置處的摩擦阻力； ——液壓缸回油腔內的低壓油液所造成的阻力； ——啟動或制動時，活

36、塞桿所受到平均慣性力。 其中、、、的具體計算如下。 （1）的計算。 本課題設計導向桿是截面為圓柱面的雙向導向桿，導向桿對稱均布在伸縮缸的兩側，啟動開始時，導向桿受到摩擦阻力較大，具體計算如下: 由于導向桿的配置是對稱的，兩個導向桿的受力情況是相同的，因此計算過程中只計算一個導向桿。 公式（4.5） 公式（4.6） 公式 （4.7）

37、 公式（4.8） 公式（4.9） 由公式（4.5）、（4.6）、（4.7）、（4.8）、（4.9）聯(lián)合得 公式（4.10） 公式（4.11） 式中 ——參與運動的零部件和工件所受的總重力,本設計具體值為 L——支承桿和手臂結構的重量的中心的距離,； a——導向支承桿的長度,; ——當量摩擦系數(shù)，其值受導向支承桿的截面形狀影響。 對于圓柱面來說 的計算如下: 取=1.5 ——摩擦系數(shù) 常見材料的摩擦系數(shù)如下：①鋼對青銅: 取 ②鋼對鑄鐵:

38、 取， 取，代入已知數(shù)據(jù)得 公式（4.12） （2）的計算 液壓缸密封處的總摩擦力計算如下: 公式（4.13） 公式（4.14）式中 ——驅動力， d——伸縮油管的直徑,d=70mm； P——工作壓力(Pa)；P<10.0MPa,μ取值范圍為0.0230~0.050,取p=4.0Mpa,=0.050； L——密封的有效長度。 公式（4.

39、15） 公式（4.16） 公式（4.17）取=10mm,K=0.1代入公式（4.17）計算得 公式（4.18） 公式(4.19) （3）的計算 由于背壓阻力較小，F(xiàn)回的計算一般取 （4）的計算 公式（4.20） 公式(4.21) 式中 ——參與運動的零部件所受的總重力(包括工件重量)（N） g——重力加速度，取10 ——靜止加速到常速的速度變化量 ——啟動過程的時間(s)，其取值范圍為，取=0.050s。 綜上（1）、（2）、（3

40、）、（4）的計算，所求驅動力為， F=453.13N 公式（4.22） 4.3.2液壓缸的結構尺寸 （1） 液壓缸內徑的計算 ①油進入無桿腔的情況如下： 公式（4.23） ② 油進入有桿腔的情況如下： 公式（4.24） 液壓的有效面積: 公式（4.25） 由公式（4.23）、（4.24）代入數(shù)值計算得 公式(4.26) 公式(4.27) 由計算結果查表4-1得，液壓缸內徑

41、D取整D=40mm 式中 F——驅動力〔N)； ——液壓缸的工作壓力,取=4Mpa； D——活塞缸內徑〔m)； d——活塞桿直徑(m)； ——液壓缸機械效率，取。 表4-1 液壓缸工作壓力表 表4-2液壓缸內徑系列JB826-66（mm） （2） 液壓缸壁厚計算 在實際應用中，液壓缸壁厚計算有下列三種情況[11]: ①中等壁厚，時， 公式（4.28） 公式（4.29）式中 ——液壓缸內的工作壓力 ——鋼管的強度系數(shù)，其中無縫鋼管=1 ——計入管壁公差及侵蝕的附加厚度 D——液壓缸內徑（m）

42、②壁薄，時， 公式（4.30） 公式（4.31） ③壁厚，時，由得 公式（4.32） 公式（4.33） 式中 ——材料的抗拉強度（） n——安全系數(shù)，n的取值范圍為3.5~5 ——常用缸體材料的許用應力 常見幾種材料的許用應力如下，鍛鋼的取值范圍為110.0~120.0Mpa,本文取用=120.0Mpa；鑄鐵=60.0Mpa；無縫鋼管的取值范圍為100.0~110.0Mpa。 表4-3 標準液壓缸徑（JB68

43、~67）（mm） 4.4活塞桿的設計 4.4.1活塞桿的計算 因為活塞桿直d由強度條件決定,故具體計算要考慮拉、壓強度的影響，計算過程如下[12]: 公式 (4.34) 公式（4.35） 碳鋼,取;一般不小于1.4，取 由公式（4.34）、（4.35）計算得 公式 (4.36) 由公式（4.36）結果得，活塞桿直徑d取整d=10mm 4.4.2活塞桿的穩(wěn)定性校核 由活塞桿長度和直徑的關系來確定是否進行穩(wěn)定性校核。當括塞桿長度

44、L＞15d時，就必須進行校核了，校核過程如下[11]： 公式（4.37） 式中 ——臨界力（N），由材料力學中的有關公式計算可得。 ——安全系數(shù)，其取值范圍為 活塞桿的臨界力有三種情況，具體情況如下： （1）大柔度桿 當時，臨界力為 公式(4.38) 式中 ——柔度系數(shù)，活塞桿的計算柔度 i——活塞桿橫截面的慣性半徑（m）, J——活塞桿截面對中性軸的慣性矩（）， E——彈性橫量，E=210GPa ——長度折算系數(shù)， ——特定的柔度值，，為比例極限。 （2

45、）中柔度桿 當時，臨界力為 公式（4.39） 式中 F——活塞桿橫截面積（） a、b——與材料性質有關的常數(shù)， ——特定的柔度值，，為屈服極限 （3）短壓桿 短壓桿的時候，由于，此時活塞桿L<15d,因此不進行壓桿穩(wěn)定的校核。 4.5手臂旋轉設計 由機械手手臂的旋轉運動來確定機械手手臂的回轉液壓缸，回轉液壓缸做回轉運動受力情況如圖4.1所示。 圖4.1 手臂回轉運動受力圖 機械手手臂的回轉驅動力矩計算如下： 公式（4.40） （1）密封裝置處的摩擦力矩

46、公式（4.41） 估計取 ,；取回轉缸內徑 ,輸出軸與動片聯(lián)接處的直徑為, 公式(4.42) 公式 (4.43) 公式(4.44) (2)手臂啟動時的慣性力矩 公式 (4.45) 式中——動片角速度的變化量，啟動時，。 ——啟動過程所需的時間（s）,取 公式（4.46） 式中 ——回轉零件相對于重心軸線的轉動慣量 公式（4.47） 將手臂回轉零件質量，回轉時手臂長度代入公式（4.45）、（4.

47、46）、（4.47）中計算得 公式(4.48) 公式(4.49) 公式(4.50) （3）回轉液壓缸回油腔的背壓反力矩 公式（4.51） 取, 公式 (4.52) 公式(4.53) ①驅動力矩的計算 公式（4.54） 圖4.2 回轉液壓缸計算圖 ②回轉缸內徑D的計算 根據(jù) 公式（4.5

48、5） 公式（4.56） 公式（4.57）式中D——回轉缸內徑（m） M驅——作用在動片的外載荷力矩 b——動片寬度（m） p——回轉液壓缸的工作壓力（Pa） d——輸出軸和動片聯(lián)接處的距離（m），初步設計時按D=2d計算 b——動片的寬度 公式（4.58）選擇動片寬度b（即液壓缸寬度）時,考慮到動片的懸伸長度和動片與輸出軸的聯(lián)接螺釘所受的載荷的影響，可采用如下約束 公式（4.59） 由公式（4.59）的約束關系結合公式（4.58）的計算，最終得

49、出下列結果 4.6 手臂升降設計 4.6.1臂部做升降運動時油缸的相關計算 機械手臂部做升降運動的驅動力計算 公式 （4.60）式中 ——摩擦阻力（N），，??； ——臂部運動的零部件和被抓取工件的總重力，單位（N）。 （注：必須加上不自鎖的條件） 計算結果為驅動力為45000牛，即 。 4.6.2油缸內徑的計算 手臂升降液壓缸內徑如圖所示 圖4.3 油缸內徑圖 ①油進入無桿腔的情況如下： 公式（4.61） ②油進入有桿腔的情況如下： 公式（4.62） 油

50、缸的有效面積： 公式（4.63） 由公式（4.61）、（4.62）、（4.63） 得 公式（4.64） 公式（4.65） 式中 P——活塞受到的驅動力（N）； P1——油缸的工作壓力（）； D——油缸的內徑（mm）； d——活塞桿的直徑（mm）； ——油缸的機械效率。 表4-4 壓力選擇參考表 查表4-4知，當驅動力為4~5萬牛時，油缸工作壓力應選取為

51、4MPa。再由公式計算得： 公式（4.66） 表4-5 液壓缸缸內徑表（GB/T2348-93） 注：括號內的尺寸為理論尺寸，能不用盡可能不選用。 由公式（4-66）計算結果選取的油缸內徑，查表4-5可選出油缸內徑為125mm 。 4.6.3油缸壁厚的計算 油缸壁厚的具體計算如下： 中等壁厚（） 公式 （4.67） 式中 D——油缸內徑（mm）； ——計算壓力，P計的取值范圍為； ——油缸材料的許用應力（）； ——強度系數(shù)； C——油缸的附加厚度； 由公式（4.67）代入數(shù)值計算得出油缸外徑為

52、 公式（4.68） 查表4-6油缸外徑表，可知C可取17，因此壁厚mm 。 表4-6 油缸外徑表 注：缸體為無縫鋼管 4.6.4活塞桿的計算 活塞桿的尺寸設計是必須要符合活塞運動的要求及強度的要求。當活塞桿的長度超過直徑的15倍時，必須要對其進行穩(wěn)定性校核。具體計算如下： 因為活塞桿是直桿，所以應按拉、壓強度計算： 公式(4.69) 公式(4.70) 式中 P——活塞桿所受的總載荷（N）； ——活塞桿材料的許用應力（） 。 公式(4.71) 通過查活塞桿直徑系列表表4-7，選用了直徑為d=2

53、5mm的活塞桿。 表4-7 活塞桿直徑系列表 由活塞桿長度L=300.0mm，知，，此時不需要進行穩(wěn)定性校核，因為該活塞桿滿足設計要求。 4.7小結 本章首先完成了氣動元件和液壓閥的選取，然后完成了液壓缸活塞的驅動力和液壓缸結構尺寸的設計，最后完成了活塞桿的設計、校核以及手臂回轉、升降液壓缸的設計和油缸壁厚的確定。  第5章 四自由度機械手液壓系統(tǒng)設計 5.1機械手液壓缸的受力情況 5.1.1 大臂升降缸的受力情況 大臂升降缸無論是否工作都會受到力的作用，具體情況分析如下[10]： ①機械手下降時，升降缸除了受活塞桿自身的重力，還受機械手組件啟動慣性力和機械手組件

54、的重力。 ②機械手上升過程中，升降缸除了受到各組件的重力外，還要克服運動部件重載運動的摩擦阻力。 ③機械手動作完成時，升降缸停止動作，升降缸依然受到各組件的重力的影響。 5.1.2 手爪夾緊缸的受力情況 手爪夾緊缸的受力情況主要有三種，具體分析如下[10]： ①當手爪夾緊工件夾緊缸豎直向下時，由于重載運動，夾緊缸不僅受到下降的啟動慣性力和夾緊缸活塞桿自身的重力，還受到手部組件的重力。 ②夾緊缸放松工件時，夾緊缸和手部組件的位置是水平的，夾緊缸的外載荷受到連動部件的啟動慣性力和手部滑槽桿摩擦力的影響。 ③機械手手部上下翻轉時，此時夾緊缸動作保持不變，所受外載荷是擺動產生的離心力。

55、 5.1.3 手臂伸縮缸的受力情況 手臂伸縮缸主要動作有兩種，分別是手臂延伸動作和手臂收縮動作。手臂的動作狀態(tài)只受啟動慣性力地影響。手臂伸縮缸除了動作狀態(tài)之外，均為動作保持階段，此時手臂伸縮缸不受外部載荷。 5.2液壓元件的選擇 對機械手動作進行分析，考慮到立柱工作次數(shù)較多、能量的損耗、系統(tǒng)的溫度等因素帶來的影響，本文選用了電機型號為J02-51-4，功率7.50KW，電壓380v的液壓泵；選用了雙聯(lián)齒輪泵，其中一個是額定流量為18.0L/min；額定工作壓力為2.5.0MPa的高壓小流量泵，一個是額定流量為125.0L/min，額定工作壓力為2.50MPa的低壓大流量泵。 5

56、.3液壓系統(tǒng)原理圖 機械手液壓系統(tǒng)原理原理如圖5.1所示 圖5.1 機械手液壓系統(tǒng)原理圖 1—油箱；2—過濾器；3—高壓小流量泵；4—低壓大流量泵；5—單向閥；6—二位二通電磁閥；7—溢流閥；8—三位四通電磁閥；9—二位五通電磁閥；10—調速閥；11—單向順序閥。 機械手液壓系統(tǒng)工作原理如下： 油箱1里的液壓油經過過濾器2分為兩路：①經過高壓小流量泵3流經單向閥5，流經三位四通電磁閥8、二位五通電磁閥9，依據(jù)系統(tǒng)油壓的大小，電磁閥8、9依次打開，機械手完成相應的動作。當系統(tǒng)壓力超載時，溢流閥7將會打開，對整個回路進行過載保護。②經過低壓大流量泵4流經單向閥，流經二位五通電磁閥9，

57、依據(jù)系統(tǒng)油壓的大小，電磁閥9打開，機械手完成抓取動作。當系統(tǒng)壓力過載時，卸壓回路對回路進行卸荷，維持回路壓力穩(wěn)定。 5.4小結 本章完成了大臂升降液壓缸、夾緊液壓缸、手臂伸縮液壓缸的受力情況的確定，選取了合適的液壓缸，構建了液壓原理圖。 第6章結論 本論文通過查閱分析四自由度搬運機械手的現(xiàn)階段的發(fā)展狀況，對比國內外機械手的發(fā)展情況，了解機械手的不同設計方案的優(yōu)缺點，總結對比了各個設計方案。從目前國內外對機械手研制的投入可以看出，機械手是未來的工業(yè)發(fā)展必不可少的東西。 總結本論文，本論文的主要研究內容有： （1）查閱機械手相關資料，對國內外目前對四自由度搬運機械手的發(fā)展狀況進行

58、詳細闡述。 (2)本文設計了機械手的機械結構、驅動系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)，使用UG對四自由度搬運機械手進行了三維建模，驗證了機械手設計方案合理性。 致謝 時光如白駒過隙，四年時間轉眼就過去了，大學生活也要結束了，與此同時畢業(yè)設計也漸入尾聲了。 在這段日子里，我為能夠按時完成畢業(yè)設計，去查閱機械手相關方面的書籍；為了解決一些專業(yè)性較強的問題，去咨詢我的指導老師。整個過程都是在導師的指導下完成的。在開題報告、論文框架的確定方面，老師都給出了詳細的指導；在論文的細節(jié)修改方面，老師也給出了正確的建議。老師的嚴謹求實的教學風格、不懈于心的敬業(yè)精神、精益求精的工作作風和勇于創(chuàng)新的精神給我留下了深刻的

59、印象。她豐富的知識、開闊的視野和開放的思維教會了我看待問題要從多個方面去考慮，在老師的精心指導下，我的論文才完成的這么順利。此外，還要感謝所有給我授業(yè)的老師，沒有你們的諄諄教誨和專業(yè)知識的傳授，我的論文未必能如此順利完成。 在這四年時光里，感謝那些曾給予我?guī)椭耐瑢W和老師，感謝的父母，最后感謝西安文理學院給我提供學習的平臺。作為一個文理學子，我應該把文理的優(yōu)良傳統(tǒng)發(fā)揚下去。最后再次感謝我的指導老師吳老師！  參考文獻 [1] 岳宗風，陳家兌，徐玉梁.自動送料機械手的設計[J].現(xiàn)代機械，2012(3):10-11. [2]李超.氣動通用上下料機械

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62、IEEE SENSORS JOURNAL,2002,4(2):107-119. [14]P.J.Drazan and R. Kennett .An Opto-Pneumatic Manipulating Arm[J].Industrial Robot: An International Journal, 2005，2,(1):7-10.  附錄 Manipulator Robotdevelopedinrecentdecadesashigh-techautomatedproductionequipment.Industrialrobotisanimportantb

63、ranchofindustrialrobots.Itfeaturescanbeprogrammedtoperformtasksinavarietyofexpectations,inbothstructureandperformanceadvantagesoftheirownpeopleandmachines,inparticular,reflectsthepeoplesintelligenceandadaptability.Theaccuracyofrobotoperationsandavarietyofenvironmentstheabilitytocompletetheworkinthef

64、ieldofnationaleconomyandtherearebroadprospectsfordevelopment.Withthedevelopmentofindustrialautomation,therehasbeenCNCmachiningcenter,itisinreducinglaborintensity,whilegreatlyimprovedlaborproductivity.However,theupperandlowercommoninCNCmachiningprocessesmaterial,usuallystillusemanualortraditionalrela

65、y-controlledsemi-automaticdevice.Theformertime-consumingandlaborintensive,inefficient;thelatterduetodesigncomplexity,requiremorerelays,wiringcomplexity,vulnerabilitytobodyvibrationinterference,whiletheexistenceofpoorreliability,faultmoremaintenanceproblemsandotherissues.ProgrammableLogicControllerPLC-controlledrobotcontrolsystemformaterialsupanddownmovementissimple,circuitdesignisreasonable,withastronganti-jammingcapability,ensuringthesystemsreliability,reducedmaintenancerate,andimproveworkefficiency.Robottechnologyrelatedtomechanics,mechanics,electricalhydraulictechnology,a