R175型柴油機機體加工自動線上用多功能液壓機械手設(shè)計【說明書+CAD+PROE】

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機械手控制系統(tǒng)的功用是通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進行工作，并檢測其工作位置正確與否。它主要包括程序控制和位置檢測等部分. 程序控制裝置指揮機械手按規(guī)定的程序進行運動,并記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序,運動軌跡,運動速度,運動時間等),同時按其控制系統(tǒng)的信息對執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)出指令,必要時它還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. 信息檢測裝置主要用來控制機械手執(zhí)行系統(tǒng)的運動位置,并隨時竟執(zhí)行系統(tǒng)的實際位置反饋給控制系統(tǒng),并與設(shè)定的位置進行比較,然后通過控制系統(tǒng)進行調(diào)整,從而使執(zhí)行系統(tǒng)以一定的精度達到設(shè)定位置. 第2章 方案設(shè)計及主要參數(shù)的確定 2.1 方案設(shè)計 根據(jù)課題要求，機械手需要具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動作，因此可采用以下多種設(shè)計方案。 （1）直角坐標系式，自動線成直線布置，機械手空中行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種方案結(jié)構(gòu)簡單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，這使設(shè)計復(fù)雜程度增加，運動質(zhì)量增大。 （2）機身采用立柱式，機械手側(cè)面行走，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能，自動線仍呈直線布置。這種方案可以集中設(shè)計液壓站，易于實現(xiàn)電氣、油路定點連接，但占地面積大，手臂懸伸量較大。 （3）機身采用機座式，自動線圍繞機座布置，順序完成上料、翻轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)位等功能。這種案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工件等優(yōu)點，但配線要求較高。 本設(shè)計擬采用第三種方案，如圖（1）所示。這是一種球坐標式機械手，具有立柱旋轉(zhuǎn)⌒z、手臂伸縮→x、手臂俯仰⌒y、腕部轉(zhuǎn)動⌒x和腕部擺動⌒y五個自由度。 圖2.1 球坐標式機械手 2.2主要參數(shù)的確定 （1）抓取重量 15kg （2）坐標形式和自由度 坐標形式為球坐標式，有五個自由度。 （3）工作行程 工作行程由已知條件及方案分析確定： 最大工作半徑1500mm； 手臂最大中心高1000mm； 手臂水平中心高700mm； 手臂伸縮行程450mm； 手臂回轉(zhuǎn)范圍：φ=0～270○； 手腕回轉(zhuǎn)范圍：翻轉(zhuǎn)θ=0～180○； 腕部擺動范圍：轉(zhuǎn)位α=0～90○； 手臂上下擺動角度：β=0～60○。 （4）運動速度 直線運動速度：手臂伸縮行程l=450mm，運動時間t=2s，則手臂伸縮速度為：v==0.45/2=0.225m/s； 回轉(zhuǎn)運動速度：定為60○/s。 （5）驅(qū)動方式 驅(qū)動方式采用液壓驅(qū)動的方式。由于機械手操作時各缸不同時工作，手臂伸縮缸和手臂回轉(zhuǎn)缸所需的流量大，其余各缸所需的流量均較小，因此可選用雙聯(lián)葉片泵。在小流量時，只需高壓小流量供油，大流量低壓泵卸荷；在大流量時，兩泵同時供，這樣可以減少系統(tǒng)功率損失，防止油溫升高。 （6）定位精度 定位采用機械擋塊定位，定位精度為0.5～1mm。 （7）控制方式 采用行程控制系統(tǒng)實現(xiàn)點位控制。 第3章 抓取機構(gòu)的設(shè)計 3．1抓取機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的確定 抓取機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式主要決定于工件的形狀和質(zhì)量，本課題的抓取工件為250×170×140mm的箱式零件，因此采用平行連桿杠桿式手部結(jié)構(gòu)較為合適。夾緊裝置為常開式，當夾緊液壓缸通油時，推動活塞帶動杠桿機構(gòu)合攏將工件夾緊。當夾緊液壓缸斷油時，活塞桿通過彈簧復(fù)位，手爪張開。 3．2夾緊力（握力）的確定 當用不同的手部機構(gòu)夾緊同一種工件時，由于各手部機構(gòu)的增力倍數(shù)不同，所需拉緊油缸的驅(qū)動力也不同。當手部機構(gòu)選定后，由于工件的方位不同（如工件水平放置或垂直放置），鉗爪的受力狀態(tài)不一樣，因而所需拉緊油缸的驅(qū)動力也不一樣。下圖（2）為兩鉗爪式手部機構(gòu)，由于驅(qū)動力P使一對平行鉗口對被夾持的工件產(chǎn)生兩個作用力N，當忽略工件重量時（即相當于夾緊一塊握力表），這兩個力大小相等，力N稱為由驅(qū)動力P產(chǎn)生的夾緊力。 圖3.1 夾緊力 現(xiàn)引入一個稱為“當量夾緊力”的概念，所謂當量夾緊力，就是指把重量為G的工件，按某一方位夾緊可以求得其拉緊油缸具有的最小驅(qū)動力，這個最小驅(qū)動力所能產(chǎn)生的夾緊力，就稱為工件在這個方位的當量夾緊力。 當量夾緊力的數(shù)值與具體的手部機構(gòu)方案無關(guān)。只與工件的重量G和它相對與鉗爪的放置方位有關(guān)。證明如下： （1）首先求驅(qū)動力P與夾緊力N的關(guān)系。當驅(qū)動力推動活塞桿移動一小段距離dy時，兩個鉗爪都相應(yīng)產(chǎn)生一微小轉(zhuǎn)角dθ，依據(jù)虛功原理，驅(qū)動力P所做功（Pdy）和夾緊力N所做功應(yīng)相等，即 N= （3.1） （2）當量夾緊力與工件重量之關(guān)系。當鉗爪水平夾緊重為G的工件時，根據(jù)工件的平衡條件∑F=0可得 R1=R2+G 可以看出，上下鉗爪對工件的夾緊力并不相等，且隨驅(qū)動力的增大而增大，但R1和R2的差值永遠為工件之重量G，如R2=0，R1=G，驅(qū)動力最小。這個最小驅(qū)動力可以由下述方法求出： 將R1=G，R2=0代入上式得 （3.2） 由所產(chǎn)生的夾緊力，即當量夾緊力。將（2.2）式代入（2.1）式得 （3.3） 從計算結(jié)果可以看出，當量夾緊力與具體的手部結(jié)構(gòu)方案無關(guān)。不同的手部機構(gòu)的增力倍數(shù)特性不一樣，而當量夾緊力與無關(guān)，只與工件的重量和它相對于鉗爪的放置方位無關(guān)。 由課題要求可知，本機械手水平夾持懸伸工件，示意如圖3.2 圖3.2 握力示意圖 查表得進行握力計算： N= （3.4） 式中 N——夾持工件時所需的握力； G——工件的重量，G=15kg=150N； L、H——尺寸，L=50mm，H=80mm。 將上述數(shù)值代入得 N=N 考慮到工件在傳送過程中還會產(chǎn)生慣性力、振動以及受到傳力機構(gòu)效率等的影響，故而實際握力還應(yīng)按以下計算： N實 ≥ （3.5） 式中，η——手部的機械效率，一般η=0.85～0.95； k1——安全系數(shù)，一般取k1=1.2～2； k2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按下式估算： k2=1+α/g，其中，α為被抓取工件傳送過程中的最大加速度，g為重力加速度。 若取η=0.9；k1=1.5；k2按α= g/2計算，k2=1+α/g=1.5，則 N實 ≥=356.25×1.5×1.5/0.9≈890N 3.3夾緊缸驅(qū)動力的計算 抓取機構(gòu)產(chǎn)生的握力是通過驅(qū)動裝置產(chǎn)生的驅(qū)動力經(jīng)傳動機構(gòu)傳遞而得到的。如圖3.3所示為夾緊缸受力分析簡圖，圖中P為驅(qū)動力，N實為握力。由圖3.4和圖3.5的受力分析可得 P=2Rsinα （3.6） Rh=LCD R| 因為 h=lBCcosδ=lBCcos(180○-β-γ+α) = lBCcos(β+γ-α) （長度取正值） R|= N實cosβ 所以 P=2Rsinα= 由結(jié)構(gòu)設(shè)計，確定α=10○，γ=120○，β=50○，lCD=130mm，lBC=36mm，代入上式得 （長度取正直） 圖3.3 夾緊缸受力分析簡圖 圖 3.4 圖3.5 3.4夾鉗式抓取機構(gòu)的定位誤差分析 圖3.6所示的為一支點回轉(zhuǎn)型手指的示意圖。圖示情況為分別夾持兩種不同直徑的工件時的情況。其中，為手指長度，即手指的回轉(zhuǎn)中心A到V形槽頂點B之間的距離；為V形槽的夾角；為偏轉(zhuǎn)角，即V形槽的角平分線BC與手指AB間的夾角；R為工件的半徑。 圖 3.6 工件的中心C與手指的回轉(zhuǎn)中心A之間的距離x可由下式求得： 將上式整理后得 或 此式為雙曲線方程，其曲線如圖3.7所示。圖中曲線表示了X隨R變化的關(guān)系，而且X的變化是以R0為分界線左右對稱的。當工件的半徑由Rmax變化到Rmin時，X的最大變化量即為定位誤差，其值為 圖3.7 在設(shè)計手指時，只要給定手指的長度，選取合適的偏轉(zhuǎn)角β，即可根據(jù)工件的最大直徑Rmax和最小直徑Rmin確定定位誤差。為了減少定位誤差，可加大手指的長度，會使結(jié)構(gòu)增大，重量增加。另外，選擇最佳的偏轉(zhuǎn)角β，也可使定位誤差最小。 當R等于平均半徑Rm時，定位誤差最小，此時 式中，——最佳偏轉(zhuǎn)角。 3．5夾緊液壓缸主要尺寸的確定 3.5.1液壓缸內(nèi)徑D的計算 由單桿活塞式液壓缸的推力公式： （3.7） 式中，——液壓缸的推力(N)； p——系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5Mpa=2.5N/mm2； ——活塞的作用面積（mm2） = D——活塞直徑（mm）。 推導得出： D=1.13 （3.8） 式中，——驅(qū)動力，即液壓缸的實際工作載荷（N）； p——系統(tǒng)的工作壓力，p=2.5Mpa=2.5N/mm2； ηm——機械效率，一般取ηm=0.95； D——液壓缸內(nèi)徑（mm）。 將上述數(shù)值代入得 D=1.13 按GB/T2348-1993標準系列直徑圓整，取D=32mm。 3.5.2活塞桿直徑d的計算 根據(jù)速度比的要求來計算活塞桿直徑d （3.9） 式中 ，d——活塞桿直徑（mm）； D——液壓缸直徑（mm）； ——速度比： ——活塞桿的縮入速度（mm/min）； ——活塞桿的伸出速度（mm/min）。 液壓缸的往復(fù)運動速度比，與系統(tǒng)工作壓力的關(guān)系如下 表3.1 工作壓力p/MPa ≤10 12.5～20 ＞20 速度比φ 1.33 1.46；2 2 由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)工作壓力為2.5MPa，故選用速度比φ為1.33。 不同速度比時活塞桿直徑d和液壓缸內(nèi)徑D的關(guān)系如下 表3.2： φ 1.15 1.25 1.33 1.46 2 d 0.36D 0.45D 0.5D 0.56D 0.71D 按GB/T2348-1993標準系列直徑圓整，取d=14mm。 3.5.3液壓缸壁厚δ的計算 對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算： （3.10） 式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm）； ——試驗壓力（MPa），工作壓力p≤16MPa時，=1.5p；工作壓力p≥16MPa時，=1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為2.5MPa，故=1.5×2.5=3.75Mpa； D——液壓缸內(nèi)徑（mm）； ——缸材料體的許用應(yīng)力（MPa）： ——缸體材料的抗拉強度（MPa）； n——安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取n=5。 對于：鍛鋼 =100～120 MPa 鑄鋼 =100～110 MPa 鋼管 =100～110 MPa 鑄鐵 =60 MPa 現(xiàn)選用鑄鐵材料，=60Mpa。 將以知數(shù)據(jù)代入上式得 因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取=10mm。 3.5.4液壓缸外徑D0及長度l的計算 L≤（20～30）D0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取l=60mm。 3.5.5液壓缸行程S的確定 根據(jù)課題要求以及機構(gòu)的運動要求按GB/T2349-1980標準系列確定液壓缸活塞行程為450mm。 第4章 送放機構(gòu)的設(shè)計 4.1概述 （1）送放運動 改變被抓取物體的位置和方向，并將其送放到一定的目的位置上，這一運動過程稱為送放運動。送放運動是機械手或機器人或機器人最主要的運動，包括手臂、手腕和行走裝置的運動，但不包括機械手或機器人手爪抓取物體的動作。因此，抓取動作只具有抓取功能，不能改變被抓取物的位置和方向，因而不是送放運動。送放運動又可分為主運動和輔運動兩部分，手臂的運動為主運動，手腕的運動和整機的行走運動為輔運動。主運動決定送放運動的空間范圍的形狀和性質(zhì)，輔運動可擴大送放運動或改變被送放物體在空間的方位。 （2）送放范圍 機械手或機器人將被抓取的物體送放到某一位置，其所能達到的空間范圍稱為機械手或機器人的送放范圍。當送放位置為一點時，稱為點位送放；當送放位置在一個確定的表面內(nèi)（如矩形面、扇形面、圓柱面）時，這樣的送放范圍稱為面位送放；當送法的位置在一個確定的空間體內(nèi)（如長方體、圓柱體、球體、多球體）時，這樣的送放范圍稱為體位送放。點位送放、面位送放、體位送放均由主運動的運動形式、自由度及其組合來決定。 （3）送放圖形 送放范圍可用送放圖形（送放運動的軌跡或空間的形狀及大?。﹣砻枋?。 點位送放的送放位置為確定的點，其主運動只有一個自由度。其運動形式為直線運動時，送放圖形為一直線；為回轉(zhuǎn)運動時，送放圖形為一圓??；為復(fù)合運動，送放圖形為一空間曲線。 面位送放，其送放圖形為一確定的表面，由兩個參變量決定，故主運動需要兩個自由度。其送放圖形為三種不同的情況：兩個直線運動組合，送放圖形為一矩形面；兩個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一圓弧面；一個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一扇形面（如手臂伸縮和手臂回轉(zhuǎn)組合）或圓柱面（如手臂升降和手臂回轉(zhuǎn)組合。 體位送放，其送放圖形為一個確定的空間體，故主運動有三個自由度。其送放圖形也有幾種不同的情況：三個直線運動組合時，送放圖形為一空間立方體；兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一空間圓柱體；兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動組合是，送放圖形為一空間組合體；三個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為空間球體或多球體。 （4）送放運動的自由度 送放運動具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，即送放運動的自由度，亦即機械手或機器人的自由度。它等于主運動自由度數(shù)和輔運動自由度數(shù)之和。一般情況下，主運動有1～3個自由度：當主運動有1個自由度時，送放圖形為點位送放；當主運動有2個自由度時，送放圖形為面位送放；當主運動有3個自由度時，送放圖形為體位送放。如果采用多關(guān)節(jié)的送放機構(gòu)，則機械手的主運動自由度數(shù)還可以增加，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，故實際應(yīng)用不多。此時，宜采用增設(shè)輔運動的方法來增加機械手的功能，如增加腕部的平移或整機的行走運動以擴大送放范圍，或增設(shè)腕部的回轉(zhuǎn)和擺動運動以改變被送放物的方位。 機械手有幾個自由度就說明有幾個送放運動。自由度越多，送放動作也越多，則機械手越靈活，其送放范圍也越大，但機械手也越復(fù)雜。 本次所設(shè)計的機械手的送放機構(gòu)共有5個自由度，即主運動有3個自由度（手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰）、輔助運動有2個自由度（腕部的回轉(zhuǎn)、擺動），為體位送放，全部采用液壓驅(qū)動，分別由兩個直動液壓和三個回轉(zhuǎn)液壓缸來實現(xiàn)。機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖如下圖4.1所示： 圖4.1 液壓系統(tǒng)的工作原理圖 4.2 液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定 4.2.1.液壓缸工作載荷的確定 R= Rt+RfRm （4.1） Rt=RwRg （4.2） 式中，R——液壓缸的工作載荷； Rw——液壓缸軸線方向上的外作用力； Rg——液壓缸軸線方向上的重力； Rf——運動部件的摩擦力； Rm——運動部件的慣性力。 非標準機械的液壓缸設(shè)計，按實際計算出工作壓力后，還應(yīng)符合液壓缸額定工作壓力系列標準規(guī)定（JB2183-77），本設(shè)計確定的系統(tǒng)工作壓力為2.5Mpa。 4.2.2.液壓缸推力的確定 當液壓缸工作壓力確定之后，即可計算出液壓缸的推力。對于活塞式液壓缸，液壓缸的推力為 P=pA （4.3） 式中，p——系統(tǒng)的工作壓力； A——活塞的有效工作面積。 4.2.3.液壓缸流量的計算 液壓缸的工作流量為 q=Av （4.4） 式中，v——液壓缸或活塞桿的速度； A——液壓缸的有效工作面積。 因此，只要確定出液壓缸的直徑D，就可求出活塞或液壓缸的有效工作面積，從而可求得液壓缸的推力和流量。或者，根據(jù)各缸的實際工作載荷P，先求出活塞或液壓缸的有效工作面積A，再確定各缸的直徑D。 4.2.4.液壓缸基本尺寸的確定 （1）活塞缸直徑D的確定 無桿腔工作時： D= （4.5） 有桿腔工作時： D= （4.6） 式中，——系統(tǒng)的工作壓力，=2.5Mpa； ——回油腔的壓力； ——機械效率，一般取=0.95； ——液壓缸的工作載荷； ——活塞桿的直徑。 按上式計算后，還應(yīng)按JB2183-77取規(guī)定系列的直徑值。 （2）活塞桿直徑d的確定 活塞桿直徑可按工作壓力確定，對于常用速比的液壓缸也可根據(jù)已定的缸徑D查下表：液壓缸工作壓力（MPa） ≤5 5～7 ＞7 活塞桿直徑d （0.5～0.6）D （0.6～0.7）D 0.7D 另外，當液壓缸速度在6～10 m/s左右時，也可按活塞往返的工作速度之比來確定活塞桿直徑： d=D，其中= 速比與工作壓力有如下關(guān)系： 工作壓力（MPa ） ≤1.0 1.2520 ＞20 速比 1.33 1.46～2 2 （3）液壓缸壁厚δ的確定 δ= 式中，——試驗壓力； D ——液壓缸直徑； ——缸體材料的許用應(yīng)力。 （4）液壓缸外徑D0及長度l的確定 D0=D+2δ l≤（20～30）D0 缸體長度l根據(jù)上式由活塞行程來確定，并注意缸體的制造工藝性和經(jīng)濟性。 4.3 機械手的腕部設(shè)計 4.3.1 腕部結(jié)構(gòu)形式的確定 工業(yè)機器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件，起支承手部的作用，為了使手部處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標軸X、Y、Z的轉(zhuǎn)動，即具有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動三個自由度。腕部實際所具有的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機器人的工作性能要求來確定。在多數(shù)情況下，腕部具有兩個自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或擺動。一些專業(yè)機械手甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動自由度。 本機械手腕部具有兩個自由度，因此采用兩個回轉(zhuǎn)油缸，即回轉(zhuǎn)和擺動，且回轉(zhuǎn)范圍為0～180○，擺動范圍為0～90○?；剞D(zhuǎn)油缸和擺動油缸的結(jié)構(gòu)圖分別如圖4.2和圖4.3所示： 圖4.2 圖4.3 4.3.2 腕部回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動力矩的計算 實現(xiàn)上述運動的驅(qū)動力必須克服腕部啟動時所需的慣性力矩、腕部回轉(zhuǎn)軸與支承處的摩擦力矩、動片與缸壁和端蓋等處密封裝置的摩擦力矩，以及由于轉(zhuǎn)動部件重心與轉(zhuǎn)動軸心線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩，圖4.4所示為腕部受力分析。 圖4.4 腕部轉(zhuǎn)動時必須克服三種力矩——、和，故手腕的回轉(zhuǎn)力矩M至少應(yīng)為： （4.7） 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取 式中，M——驅(qū)動力矩； M慣——慣性力矩； M偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回轉(zhuǎn)缸動片等）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩； M摩——腕部回轉(zhuǎn)與支承處的摩擦力矩； 以上各力矩的分析計算如下： 1）腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣 若手部啟動時按等加速運動，角速度為w，啟動過程所用的時間為，啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度為，則 或 （4.8） 式中，J——腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量； J1——工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量； ——腕部轉(zhuǎn)動的角速度； ——啟動過程所需的時間，一般為0.01～0.5（s），這里取0.1； ——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。 若工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則轉(zhuǎn)動慣量為 （4.9） 式中，——工件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量； ——工件的重量； ——工件重心到回轉(zhuǎn)軸的偏心距； g——重力加速度。 本機械手腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件的轉(zhuǎn)動慣量如下： 回轉(zhuǎn)軸：對其重量進行估算，定小直徑段為，大直徑段為，即 查表得其轉(zhuǎn)動慣量為 連接板：對其重量進行估算，即 查表得其轉(zhuǎn)動慣量為 液壓缸：對其重量進行估算，即 查表得其轉(zhuǎn)動慣量為 手爪：對其重量進行估算，即 查表得其轉(zhuǎn)動慣量為 故腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件的轉(zhuǎn)動慣量和為： 工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 由以上計算得腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩為： 2）腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩M摩 式中，d1、d2——腕部軸頸的直徑（參見圖10）； f——軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，f=0.01，對于滑動軸承，f=0.1； RA、RB——軸頸處的支撐反力。 按腕部轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解RA和RB。根據(jù)，得 即 同理，根據(jù)，得 式中，、、——工件、手部、腕部的重量； 、、、——尺寸，見圖10。 故 3）工件重心偏置引起的偏重力矩M偏 M偏=G1e （4.10） 式中，G1——工件重量（N）； e——偏心距。 由于本課題的工件為250×170×140mm的箱式零件，即為對稱的零件，因此工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合，也就是偏心距為零，故M偏為零。 因此腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩為： 又腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩M與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系為： （4.11） 式中，M——回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩； P——回轉(zhuǎn)缸的工作壓力； R——缸體內(nèi)壁半徑； r——輸出軸半徑； b——動片寬度。 上述驅(qū)動力矩M與壓力p的關(guān)系式是對應(yīng)與壓力腔的背壓為零時的情況而言的，若低壓腔有一定的背壓，則P為工作壓力與背壓的差值。 4.3.3腕部回轉(zhuǎn)液壓缸尺寸的確定 1）液壓缸內(nèi)徑的確定 由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩M與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系推導得缸體內(nèi)壁半徑為； 其中輸出軸半徑r由結(jié)構(gòu)設(shè)計定為12.5mm。 查表按標準系列圓整，取R=32.5mm，即回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑為65mm。 2）液壓缸壁厚δ的計算 對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算： （4.12） 式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm）； ——試驗壓力（MPa），工作壓力p≤16MPa時，=1.5p；工作壓力p≥16MPa時，=1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為2.5MPa，故=1.5×2.5=3.75Mpa； D——液壓缸內(nèi)徑（mm）； ——缸材料體的許用應(yīng)力（MPa）： （4.13） ——缸體材料的抗拉強度（MPa）； n——安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取n=5。 對于：鍛鋼 =100～120 MPa 鑄鋼 =100～110 MPa 鋼管 =100～110 MPa 鑄鐵 =60 MPa 現(xiàn)選用鑄鐵材料，=60Mpa。 將以知數(shù)據(jù)代入上式得 因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取=17.5mm。 3）液壓缸外徑D0及寬度b的計算 b≤（20～30）D0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取b=30mm。 4）回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定 由方案設(shè)計可知，腕部回轉(zhuǎn)行程0～180○，其結(jié)構(gòu)形式見圖4.2。 4.3.4.腕部擺動缸驅(qū)動力矩的計算 與回轉(zhuǎn)液壓缸的計算類似，腕部擺動時也必須克服三種力矩——、和，故手腕的擺動力矩M至少應(yīng)為： 同樣考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可取 （4.14） 式中，M——驅(qū)動力矩； M慣——慣性力矩； M偏——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回轉(zhuǎn)缸動片等）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩； M摩——腕部擺動與支承處的摩擦力矩； 以上各力矩的分析計算如下： 1）腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩M慣 若手部啟動時按等加速運動，角速度為w，啟動過程所用的時間為，啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度為，則 或 （4.15） 式中，J——腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量； J1——工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量； ——腕部轉(zhuǎn)動的角速度； ——啟動過程所需的時間，一般為0.01～0.5（s），這里取0.2； ——啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。 若工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則轉(zhuǎn)動慣量為 （4.16） 式中，——工件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量； ——工件的重量； ——工件重心到回轉(zhuǎn)軸的偏心距； g——重力加速度。 由腕部回轉(zhuǎn)運動計算可知，腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量相對工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量要小的多，因此在此僅計算工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量。 工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 由于擺動液壓缸工作時，工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則由以上分析得轉(zhuǎn)動慣量為 由以上計算得腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩為： 2）腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩M摩 腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩公式為 （4.17） 由由腕部回轉(zhuǎn)運動計算可知，腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩相對與其他力矩要小的多，故此不在計算。 3）工件重心偏置引起的偏重力矩M偏 M偏=G1e （4.18） 式中，G1——工件重量（N）； e——偏心距。 由于腕部擺動時，工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，故存在偏心力矩 因此腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩為： 4.3.5.腕部擺動液壓缸尺寸的確定 1）液壓缸內(nèi)徑的確定 由上式腕部回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)動力矩M與回轉(zhuǎn)缸的壓力p的關(guān)系推導得缸體內(nèi)壁半徑為； 其中輸出軸半徑r由結(jié)構(gòu)設(shè)計定為15mm。 查表按標準系列圓整，取R=55mm，即回轉(zhuǎn)液壓缸內(nèi)徑為110mm。 2）液壓缸壁厚δ的計算 對于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計算： （4.19） 式中，δ——液壓缸缸筒厚度（mm）； ——試驗壓力（MPa），工作壓力p≤16MPa時，=1.5p；工作壓力p≥16MPa時，=1.25p，由于本次設(shè)計的液壓系統(tǒng)壓力為2.5MPa，故=1.5×2.5=3.75Mpa； D——液壓缸內(nèi)徑（mm）； ——缸材料體的許用應(yīng)力（MPa）： （4.20） ——缸體材料的抗拉強度（MPa）； n——安全系數(shù)，n=3.5～5，一般取n=5。 對于：鍛鋼 =100～120 MPa 鑄鋼 =100～110 MPa 鋼管 =100～110 MPa 鑄鐵 =60 MPa 現(xiàn)選用鑄鐵材料，=60Mpa。 將以知數(shù)據(jù)代入上式得 因結(jié)構(gòu)設(shè)計需要，取=30mm。 3）液壓缸外徑D0及寬度b的計算 b≤（20～30）D0，由結(jié)構(gòu)需要確定，取b=100mm。 4）回轉(zhuǎn)液壓缸回轉(zhuǎn)行程的確定 由方案設(shè)計可知，腕部擺動行程0～90○，其結(jié)構(gòu)形式見圖4.3。 4.4機械手的手臂和機身的設(shè)計 4.4.1. 手臂和機身結(jié)構(gòu)形式的確定 手臂部件（簡稱臂部或手臂）是機械手的主要執(zhí)行部分，其作用是支承手腕及抓取機構(gòu)（包括被抓取的工件或工具），有時其他一些裝置如傳動機構(gòu)或驅(qū)動裝置也安裝在手臂上。機身則直接支承和帶動手臂部件，并實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)、升降、俯仰等運動。因此，手臂的送放運動越多，機身的結(jié)構(gòu)和受力狀況也越復(fù)雜。 設(shè)計手臂和機身時應(yīng)注意以下幾個問題： 1）剛度 剛體是指手臂和機身在外力作用下抵抗變形的能力。由于機械手的手臂一般都要懸伸（水平或垂直懸伸），因而手臂和機身的剛度十分重要。手臂的懸伸量越大，剛度越差，而且剛度歲懸伸距離的變化而不斷變化，因而懸伸量對機械手的運動性能、位置精度和負荷能力都有很大的影響。為了提高手臂的剛度，除了盡量縮短手臂的懸伸量外，還應(yīng)合理地選擇使手臂抗彎扭能力強的手臂截面形狀，并合理地確定手臂的壁厚和材質(zhì)，以及合理地布置受力構(gòu)件的位置和方向。 2）精度 機械手的精度最終反映在手部的位置精度上，在很大程度上取決與手臂和機身的精度。影響手臂和機身的精度的因素較多，主要有本身的剛度、手部和腕部與手臂的連接剛度，以及手臂和機身運動的導向裝置和定位裝置的精度等。 3）平穩(wěn)性 手臂和機身的質(zhì)量較大，其運動速度和負荷也較大，因而產(chǎn)生的沖擊和振動也較大。因此，它們的工作平穩(wěn)性十分重要，將直接影響到機械手的工作質(zhì)量和壽命，在設(shè)計時應(yīng)予以足夠的重視。在設(shè)計時除了力求結(jié)構(gòu)合理、緊湊、重量輕、慣性小以外，還應(yīng)采取有效的緩沖措施，以便吸收沖擊能量，提高機械手的工作平穩(wěn)性。 4）其他要求 對于一些在特殊條件下工作的機械手，設(shè)計時應(yīng)滿足其他特殊的要求。例如：在高溫環(huán)境工作時，應(yīng)考慮熱輻射的影響；在腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下工作時，應(yīng)考慮防腐蝕措施；在多用途作業(yè)環(huán)境下工作時，應(yīng)考慮控制、檢測、維修方便等等。 手臂和機身的配置形式反映了機械手的總體布置形式，主要取決與機械手的工作要求、運動形式和作業(yè)環(huán)境，大致上可歸納為以下幾種： 1）立柱式 這種配置形式適合于回轉(zhuǎn)型、俯仰型或屈伸型機械手，因而是一種最常見的配置形式。這種配置形式的手臂可以在水平面內(nèi)回轉(zhuǎn)，具有占地面積小、工作范圍的特點。立柱可以安裝在生產(chǎn)線上，為一臺機車服務(wù)，也可以在其上加裝行走裝置，為多臺機床服務(wù)。立柱式配置形式的機械手可以做成單臂的，也可以作成雙臂的。后者通過兩臂同時升降、交臂伸縮，實現(xiàn)一手上料，一手下料，使結(jié)構(gòu)簡單緊湊。 2）機座式 機座式配置形式的機身設(shè)計成機座的形式，獨立自成系統(tǒng)，便于安裝和搬動。也可在機座上增設(shè)行走裝置，使機座能在地面專用軌道上移動。這種配置形式的手臂裝在機座的頂端，適合于回轉(zhuǎn)型或俯仰型機械手。這種配置形式的機械手也可以做成雙臂的或多臂的，以便同時為幾臺機床服務(wù)。 3）屈伸式 屈伸式配置形式的小臂相對于大臂可以作屈伸運動，大臂又可相對于機身作回轉(zhuǎn)和俯仰運動。因此，手臂夾持中心的運動軌跡為一空間曲線。這種配置形式能有效地利用空間，并能繞過障礙物夾持和送放工件，但使機械手的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 4）懸掛式 懸掛式配置形式的機身設(shè)有橫梁，用于懸掛手臂，這種配置形式主要用于直角坐標式機械手。橫梁可設(shè)計成固定的，也可以設(shè)計成移動的。一般情況下，橫梁可安放在廠房原有的建筑物上。 本機械手機身采用機座式，手臂運動的導向裝置為雙導向桿式，兩導向桿對稱配置在驅(qū)動油缸的兩側(cè)。 4.4.2. 手臂驅(qū)動力的計算 計算臂部運動驅(qū)動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進去。機器人工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。 1）手臂水平伸縮運動時的驅(qū)動力計算 下圖4.4所示的為手臂作水平伸縮運動時的受力分析。 圖4.4 當壓力油輸入工作腔時，活塞驅(qū)動手臂前伸。其驅(qū)動力應(yīng)克服手臂在前伸啟動時所產(chǎn)生的慣性力、手臂運動部件與密封裝置的摩擦阻力，以及回油腔的壓力（即負壓）。因此，驅(qū)動力為 式中， ——手臂啟動過程中的慣性力； ——摩擦阻力（包括導向裝置和活塞與缸體之間的摩擦阻力）； ——密封裝置處的摩擦阻力，用不同形式的密封裝置，其摩擦阻力不同； ——油缸非工作腔的壓力（即背壓）所造成的阻力，若非工作腔與油箱或大氣相通，則=0。 2）手臂作回轉(zhuǎn)運動時的驅(qū)動力矩計算 驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩為M，該力矩應(yīng)與手臂啟動時所產(chǎn)生的慣性力矩以及密封裝置所產(chǎn)生的阻力矩平衡（略去軸承處的摩擦），因此： 式中，——慣性力矩； ——密封裝置處的摩擦力矩。 一般，按下式計算： （4.21） 式中，——回轉(zhuǎn)缸動片的角速度增量，在啟動過程中，； ——啟動過程的時間； ——手臂回轉(zhuǎn)部件（包括工件）對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量。 若手臂回轉(zhuǎn)部件的重心與回轉(zhuǎn)軸線不重合，則其部件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為 （4.22） 式中，——回轉(zhuǎn)部件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量； p——回轉(zhuǎn)部件的重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。 當手臂部件尺寸不大，而且其重心位置距回轉(zhuǎn)軸線又較遠時，可認為手臂部件為“質(zhì)點”，則按下式計算轉(zhuǎn)動慣量： （4.23） 另外，在初算驅(qū)動力矩時，為了簡化計算，也可以用效率參數(shù)來考慮各密封裝置的摩擦阻力的影響，則可按下式計算驅(qū)動力矩： （4.24） 式中，——回轉(zhuǎn)缸的效率，取=0.85～0.90。 由上述可知，要減少驅(qū)動力矩，必須減少啟動時的慣性力矩，應(yīng)盡量減少手臂的懸伸量，盡量使運動部件的總重心趨近手臂的回轉(zhuǎn)軸線，并將手臂縮回后再進行回轉(zhuǎn)。 3）手臂作俯仰運動時的驅(qū)動力矩計算 下圖4.5所示為手臂作俯仰運動時的受力分析圖。 圖4.5 由圖可知，當手臂與水平線成仰角β1和俯角β2時，鉸接活塞缸的驅(qū)動力P的作用線與垂直線的夾角a在a1與a2的范圍內(nèi)變化。而作用在活塞上的驅(qū)動力通過連桿機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩與手臂的俯仰角β有關(guān)，當手臂處在仰角為β1的位置OA1時，驅(qū)動力矩為 （4.25） 因為 而 所以 而 （4.26） 式中，a,b,c——機械手的結(jié)構(gòu)尺寸（參見圖4.5）； P——作用于活塞上的驅(qū)動力； P——液壓缸的工作壓力； D——活塞缸的內(nèi)徑； ——密封裝置的摩擦阻力； ——非工作腔的油壓（背壓），當非工作腔通油箱或大氣時，=0。 當手臂處在俯仰β2的位置OA2時，驅(qū)動力矩為 （4.27） 因為 而 所以 當手臂處在水平位置時，β=0，驅(qū)動力矩為 手臂俯仰時的驅(qū)動力矩，應(yīng)克服手臂部件的重量對回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩、手臂啟動時的慣性力矩以及各回轉(zhuǎn)副處的摩擦力矩，即 式中，——仰運動時手臂部手臂作俯件總質(zhì)量對回轉(zhuǎn)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩，當手臂上仰時為正，下俯時為負； ——手臂作俯仰運動時的慣性力矩； ——手臂作俯仰運動時，各運動副處的摩擦力矩。 因在手臂與立柱連接處一般都用滾動軸承，摩擦阻力較小，故摩擦力矩可忽略不計，則上式可簡化為 各缸主要尺寸的計算結(jié)果如下表所示。 表4.1 各缸的主要尺寸 mm 液壓缸名稱 內(nèi)徑D 外徑D0 寬度b 桿徑d 厚度δ 長度l 立柱回轉(zhuǎn)液壓缸 140 210 60 35 手臂俯仰液壓缸 40 50 28 5 265 手臂伸縮液壓缸 80 90 36 5 550 腕部擺動液壓缸 110 170 100 30 腕部回轉(zhuǎn)液壓缸 65 100 30 17.5 4.5 液壓系統(tǒng)元件的選擇 由于機械手操作時各個液壓缸不同時工作，手臂伸縮和立柱回轉(zhuǎn)所需的流量最大，其余流量均較小，因此選用雙聯(lián)葉片泵，其型號為YB-6/40，系統(tǒng)壓力為2.5MPa，電機功率為5.5KW，同步轉(zhuǎn)速為1500r/min，并考慮到集中供油、維護方便等原則，確定液壓系統(tǒng)各元件的型號如下： 溢流閥：YQ6/63； 單向閥：Y10B； 調(diào)速閥：Q63B； 節(jié)流閥：L-25B； 換向閥：34E-63B、22E-25B、24E-10B。 4.6 液壓系統(tǒng)回路的分析 本機械手的送放機構(gòu)的液壓驅(qū)動系統(tǒng)是由一些液壓基本回路組成的，主要有以下一些回路。 4.6.1. 調(diào)壓回路 液壓系統(tǒng)的壓力必須與負載相適應(yīng)，以節(jié)約動力消耗和減少發(fā)熱。本機械手采用雙聯(lián)定量泵供油，用溢流閥來調(diào)節(jié)壓力，使系統(tǒng)在恒定的壓力下工作，下圖4.6所示的為調(diào)壓回路圖。 圖4.6 4.6.2.緩沖回路 手臂伸縮液壓缸中流量較大，進油壓力也較大，故在定位前采用二位二通電磁閥換接可調(diào)節(jié)流閥，以實現(xiàn)減速緩沖，如圖4.7所示。 圖4.7 4.6.3.調(diào)速回路 本機械手是液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用回油路節(jié)流調(diào)速，如下圖4.8所示。這種調(diào)速回路，由于回油腔存在背壓，故具有承受負值負載的能力。 圖4.8 4.6.4換向回路 本機械手的液壓驅(qū)動系統(tǒng)采用三位四通換向閥實現(xiàn)換向功能。 4.6.5.鎖緊回路 采用O型機能的三位四通換向閥，如圖4.9所示，滑閥在中間位置時油口全閉，油路不通，液壓缸鎖緊。由于液壓缸內(nèi)充滿液壓油，故從靜止到啟動較平穩(wěn)，換向沖擊小，換向復(fù)位位置較準確。 圖4.9 4.6.6保壓回路 如圖4.10所示，采用蓄能器保壓。當12DT斷電時，手爪放松，油泵給蓄能器充油。當12DT通油時，蓄能器和油泵通過12DT同時給油缸供油，手爪夾緊工件。當因停電等原因油泵停止供油時，蓄能器通過12DT給油缸供油，使工件不會因停電等原因而脫落。 圖4.10 第5章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 本機械手共有5個自由度，每一個自由度必須配置一個原動件——液壓油缸，另外還有一個夾緊液壓油缸，共計6個驅(qū)動液壓油缸。每個液壓油缸均采用電磁換向閥換向，并采用行程定位控制。 這是一種用機械擋塊與電氣開關(guān)相結(jié)合的行程定位控制方法。在行程的終點和始點均利用缸筒端蓋與活塞相碰而定位，并用壓力繼電器和時間繼電器發(fā)出信號，切斷油路。 機械擋塊定位是在行程終點設(shè)置機械擋塊，當機械手減速運動到終點時，緊靠擋塊而定位。若定位前緩沖較好，定位時驅(qū)動壓力未撤除，在驅(qū)動壓力下將運動件壓在機械當塊上，或驅(qū)動壓力將活塞壓靠在缸蓋上就能達到較高的定位精度，最高可達正負0.02毫米，若定位時關(guān)閉驅(qū)動油路、去掉驅(qū)動力矩，機械手運動件不能緊靠在機械擋塊上，定位精度就會減低，其減低的程度與定位前的緩沖效果和機械手的結(jié)構(gòu)剛度等因素有關(guān)。 由于時間關(guān)系，本次設(shè)計未對機械手的控制系統(tǒng)作詳細設(shè)計。 參考文獻 [1] 成大先.機械設(shè)計手冊第三版第2卷.化學工業(yè)出版社,2001.4 [2] 吳振彪.工業(yè)機器人.武漢:華中科技大學出版社,2003.1 [3] 王承義.機械手及其應(yīng)用.北京:機械工業(yè)出版社，1981.6 [4] 沈興全、吳秀玲.液壓傳動和控制.北京:國防工業(yè)出版社，2005.1 [5] 孫桓、陳作模.機械原理第六版.北京:高等教育出版社，2000.8 [6] 濮良貴、紀名剛.機械設(shè)計第七版.北京:高等教育出版社，2004.5 [7] 諸靜.機器人與控制技術(shù).杭州:浙江大學出版社，1991 [8] 陳鐵鳴主編.新編機械設(shè)計課程設(shè)計圖冊 [M].北京：高等教育出版社，2003 [9] 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