機械手的改進設計畢業(yè)設計說明書

麗水學院畢業(yè)設計〔論文〕說明書〔2010屆〕題目機械手的改良設計指導教師江潔院系機械電子與建筑工程學院班級機自061學號06105010140姓名林金毅二〇一〇年四月二十三日機械手的改良設計機械設計制造及其自動化機自061林金毅指導教師江潔摘要本次設計主要設計自動上下料機械手的機械系統(tǒng)。該系統(tǒng)要實現的是4自由度〔RPRRR—回轉關節(jié)P—直線運動關節(jié)〕關節(jié)型機械手的運動，本設計選用液壓驅動系統(tǒng)。液壓驅動應用廣泛，傳動平穩(wěn)，且易于控制。該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用一般PLC所具有的位移存放器和位移指令來編程。關鍵詞：機械手；4自由度；關節(jié)型；液壓驅動；控制系統(tǒng)Manipulator'simprovementdesignAbstractThispaperdesignsautomaticloadingandunloadingmanipulator'smechanicalsystem.Thissystemmayrealize4degreesoffreedom(RPRRRrotationjointPtranslationjoint)thejointmanipulatormovement.Thisdesignselectsthehydraulicdrivingsystem.Thehydraulicdrivingapplicationiswidespread.Thetransmissionissteady.Alsocontroliseasy.ControlsystemofthissystemusesthedisplacementregisterandtheshiftorderwhichgeneralPLChasprograms.ThecontrolsystemofthissystemcanprogrambyusingthedisplacementregisteranddisplacementinstructionofPLC.Keywords:Manipulator4degreesoffreedomJointHydraulicDrivingsystemControlsystem目錄1緒論11.1工業(yè)機械手概況11.2工業(yè)機械手的分類31.3工業(yè)機械手在工業(yè)生產中的應用41.4改良目標52工業(yè)機械手的設計方案72.1工業(yè)機械手的組成7設計方案7執(zhí)行機構7驅動機構7控制方式9規(guī)格參數93機械手各局部的計算與分析113.1手部計算與分析113.1.1滑槽杠桿式手部設計的根本要求113.1.2手部的計算和分析113.2腕部計算與分析173.2.1腕部設計的根本要求173.2.2腕部回轉力矩的計算183.2.3腕部擺動油缸設計203.2.4選鍵并校核強度223.3臂部計算與分析233.3.1臂部設計的根本要求233.3.2手臂的設計計算253.4機身計算與分析334液壓系統(tǒng)344．1液壓缸344．2計算和選擇液壓元件364.2.1液壓泵的選取要求及其具體選取364.2.2選擇液壓控制閥的原那么384.2.3選擇液壓輔助元件的要求384.2.4具體選擇液壓元件385機械手控制系統(tǒng)416總結42謝辭43參考文獻441緒論1.1工業(yè)機械手概況工業(yè)機械手是人類創(chuàng)造的一種機器,更是人類創(chuàng)造的一項偉大奇跡,其研究、開發(fā)和設計是從二十世紀中葉開始的.我國的工業(yè)機械手是從80年代"七五"科技攻關開始起步,在國家的支持下,通過"七五","八五"科技攻關,目前已經根本掌握了機械手操作機的設計制造技術,控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術,運動學和軌跡規(guī)劃技術,生產了局部機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆，孤焊，點焊，裝配，搬運等機器人，其中有130多臺噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線〔站〕上獲得規(guī)模應用，孤焊機器人已經應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的看來，我國的工業(yè)機械手技術及其工程應用的水平和國外比還有一定距離。如：可靠性低于國外產品，機械手應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距。影響我國機械手開展的關鍵平臺因素就是其軟件，硬件和機械結構。目前工業(yè)機械手仍大量應用在制造業(yè)，其中汽車工業(yè)占第一位〔占28.9%〕，電器制造業(yè)第二位〔占16.4%〕，化工第三位〔占11.7%〕。興旺國家汽車行業(yè)機械手應用占總保有量百分比為23.4%～53%，年產每萬輛汽車所擁有的機械手數為〔包括整車和零部件〕：日本88.0臺，德國64.0臺，法國32.2臺，英國26.9臺，美國33.8臺，意大利48.0臺。世界工業(yè)機械手的數目雖然每年在遞增，但市場是波浪式向前開展的。在新世紀的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險的勞動環(huán)境都需要用機器人代替人工。隨著機器人應用的深化和滲透，工業(yè)機械手在汽車行業(yè)中還在不斷開辟著新用途。機械手的開展也已經由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉變，并且隨著電子技術的開展和科技的不斷進步，這項技術將日益完善。上料機械手與卸料機械手相比，其中上料機械手中的移動式搬運上料機械手適用于各種棒料，工件的自動搬運及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型鋁棒料的搬運及高溫材料的自動上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑達180mm，最大抓握重量可達30公斤，最大行走距離為1200mm。根據作業(yè)要求及載荷情況，機械手各關節(jié)運動速度可調。移動式搬運上料機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構，小車行走機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于平安防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現可以通過編程實現。國內外實際使用的多是定位控制的機械手，沒有“視覺”和“觸覺”反應。目前，世界各國正積極研制帶有“視覺”和“觸覺”的工業(yè)機械手，使它能夠對所抓取的工件進行分辨，能選取所需要的工件，并正確的夾持工件，進而精確地在機器上定位、定向。為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零部件，它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當的握力；另一種是直接檢測指部與物件的滑動位移，來修正握力。因此，這種機械手就具有以下幾個方面的性能：(1〕能準確地抓住方位變化的物體；(2〕能判斷對象的重量；(3)能自動避開障礙物；(4)抓空或抓力缺乏時能檢測出來。這種具有感知能力并對感知的信息做出反映的工業(yè)機械手稱之為“智能機械手”，它是有開展前途的?，F在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單重復的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替從事繁重的工作，危險的工作，單調重復的工作，惡劣環(huán)境下的工作方面尤其明顯。至于像汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)局部，機械手的應用情況決不能說是好的。雖然這些工業(yè)部門工時缺乏的問題鋒利，但采用機械手只限于一小局部工序，其原因是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機械手工作的范圍很狹小，這是主要原因。經濟性問題當然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經濟上看，不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設備節(jié)省人力和實現生產合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術方面和價格方面存在的問題得到解決，機械手的應用必將會飛躍開展。隨著機電一體化技術和計算機技術的應用，其研究和開發(fā)水平獲得了迅猛的開展并涉及到人類社會生產及生活的各個領域，特別是工業(yè)機械手在生產加工中的廣泛應用。轎車半軸加工上料機械手設計在綜合多種機械手的設計原理和設計思想，根據轎車半軸加工的特點提出的，有一定的理論根底，設計水平和應用價值。1.2工業(yè)機械手的分類現在對工業(yè)機械手的分類尚無明確標準，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。按規(guī)格〔所搬運工件的重量〕分類：—搬運重量在1公斤以下：—搬運重量在10公斤以下：—搬運重量在50公斤以下：—搬運重量在50公斤以上。目前大多數工業(yè)機械手能搬運的重量為1～30公斤。最小的為0.5公斤，最大的已到達800公斤。按功能分類：簡易型工業(yè)機械手有固定程序和可變程序兩種。固定程序有凸輪轉鼓和擋塊轉鼓控制：可變程序可插銷板或順序轉動控制來給定程序。這種機械手多為氣動或液動，結構簡單，改變程序比擬容易。只使用在程序較簡單的點位控制，但作為一般單機效勞的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數量最多。記憶再現型工業(yè)機械手這種工業(yè)機械手由人工通過實驗裝置傳動一遍，由磁帶〔或磁鼓〕把程序記錄下來，此機械手就自動按記憶的程序重復進行循環(huán)動作。這也是采用較多的一種，多為電液伺服驅動。與前者比擬有較多的自由度，能進行程序較復雜的作業(yè)，通用性較廣。計算機數字控制的工業(yè)機械手可通過更換穿孔帶或其他記憶介質來改變工業(yè)機械手的動作，還可以進行多種控制〔DNC〕。技術還可以是可編程序控制或普通的微機計算機。智能工業(yè)機械手〔機器人〕由電子計算機控制，通過各種傳感元件等具有視覺、熱感、觸覺、行走機構等。按用途分：專用機械手附屬于主機的，具有固定程序而無獨立控制系統(tǒng)的機械裝置，這種工業(yè)機械工作對象不變，手動比擬簡單，結構簡單，使用可靠，施用于大批量生產自動線或專機作為自動上、下料用。通用機械手具有獨立控制系統(tǒng)，程序可變、動作靈敏、動作靈活多樣的機械手。通用機械手的工作范圍大，定位精度高，通用性強，使用于工件經常變換的中、小批量自動化生產。1.3工業(yè)機械手在工業(yè)生產中的應用工業(yè)機械手在生產中的應用非常廣泛，還可以歸納為以下的一些方面：建造旋轉零件體自動線方面建造旋轉零件體〔軸類、盤類、環(huán)類零件〕自動線，一般都采用機械手在機床之間傳送工件。在實現單機自動化方面(1)各類半自動車床，有自行夾緊、進刀、切削、退刀和松開的功能，但仍需人工上下料，裝上機械手，可實現全自動化生產。(2)注塑機有加料、合模、成型、分模等自開工作循環(huán)，裝上機械手自動取料，可實現全自動生產。(3)沖床有自動上下沖壓循環(huán)，機械手上下料可實現沖壓上產自動化。鑄、鍛、焊、熱處理等方面總的來說，由于工業(yè)機械手的特點滿足了社會生產的需要，進而帶來了經濟效益。其特點：(1)對環(huán)境的適應性強，能代替人從事危險，有害的操作，在長時間對人體有害的場所，機械手不受影響。(2)機械手能持久、耐勞、可以把人從單調的繁重的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。(3)動作準確，可保證穩(wěn)定和提高產品的質量，同時可防止人為操作的錯誤。(4)通用性靈活性好，特別是通用機械手，能適應產品品種迅速變化的要求，滿足柔性生產的需要。(5)采用機械手能明顯的提高勞動生產率和降低本錢。1.4改良目標根底：我國的工業(yè)機器人從80年代“七五”科技攻關開始起步，在國家的支持下，通過“七五”、“八五”科技攻關，目前己根本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件和軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術，生產了局部機器人關鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人;其中有130多臺套噴漆機器人在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產線(站)上獲得規(guī)模應用，弧焊機器人己應用在汽車制造廠的焊裝線上。但總的來看，我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離，如:可靠性低于國外產品:機器人應用工程起步較晚，應用領域窄，生產線系統(tǒng)技術與國外比有差距;在應用規(guī)模上，我國己安裝的國產工業(yè)機器人約200臺，約占全球已安裝臺數的萬分之四。以上原因主要是沒有形成機器人產業(yè)，當前我國的機器人生產都是應用戶的要求，“一客戶，一次重新設計”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用化程度低、供貨周期長、本錢也不低，而且質量、可靠性不穩(wěn)定。因此迫切需要解決產業(yè)化前期的關鍵技術，對產品進行全面規(guī)劃，搞好系列化、通用化、模塊化設計，積極推進產業(yè)化進程。改良的方面：我設計的機械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉機構，小車行走機構，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時具有高溫棒料啟動疏料裝置及用于平安防護用的光電保護系統(tǒng)。整個機械手及液壓系統(tǒng)均集中設置在行走小車上，結構緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用OMRON可編程控制器，各種作業(yè)的實現可以通過編程實現。為使機械手有“眼睛”去處理方位變化的工件和分辨形狀不同的零部件，它由視覺傳感器輸入三個視圖方向的視覺信息，通過計算機進行圖形分辨，判別是否是所要抓取的工件。為防止握力過大引起物件損壞或握力過小引起物件滑落下來，一般采用兩種方法：一是檢測把握物體手臂的變形，以決定適當的握力；另一種是直接檢測指部與物件的滑動位移，來修正握力。因此，這種機械手就具有以下幾個方面的性能：(1〕能準確地抓住方位變化的物體；(2〕能判斷對象的重量；(3)能自動避開障礙物；(4)抓空或抓力缺乏時能檢測出來。這種具有感知能力并對感知的信息做出反映的工業(yè)機械手稱之為“智能機械手”?，F在，工業(yè)機械手的使用范圍只限于在簡單重復的操作方面節(jié)省人力，其效用是代替從事繁重的工作，危險的工作，單調重復的工作，惡劣環(huán)境下的工作方面尤其明顯。至于像汽車工業(yè)和電子工業(yè)之類的費工的工業(yè)局部，機械手的應用情況決不能說是好的。雖然這些工業(yè)部門工時缺乏的問題鋒利，但采用機械手只限于一小局部工序，其原因是，工業(yè)機械手的性能還不能滿足這些部門的要求，適于機械手工作的范圍很狹小，這是主要原因。經濟性問題當然也很重要，采用機械手來節(jié)約人力從經濟上看，不一定總是合算的。然而，利用機械手或類似機械設備節(jié)省人力和實現生產合理化的要求，今后還會持續(xù)增長，只要技術方面和價格方面存在的問題得到解決，機械手的應用必將會飛躍開展。隨著機電一體化技術和計算機技術的應用，其研究和開發(fā)水平獲得了迅猛的開展并涉及到人類社會生產及生活的各個領域，特別是工業(yè)機械手在生產加工中的廣泛應用。轎車半軸加工上料機械手設計在綜合多種機械手的設計原理和設計思想，根據轎車半軸加工的特點提出的，有一定的理論根底，設計水平和應用價值。2工業(yè)機械手的設計方案2.1工業(yè)機械手的組成工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構，驅動機構和控制局部所組成，各局部關系如下框圖：圖2.1工業(yè)機械手各局部關系圖執(zhí)行機構包括抓取局部〔手部〕、腕部、臂部和行走機構等運動部件所組成。1.手部：直接與工件接觸的局部，一般是回轉型或平移型。傳動機構形式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。2.腕部：是聯接手部和手臂的部件，并可用來調整被抓取物體的方位。3.臂部：手臂是支撐被抓物體，手部，腕部的重要部件。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給定位置。該設計的手臂有三個自由度，采用關節(jié)式坐標〔繞橫軸旋轉，上下擺動和左右擺動〕關節(jié)坐標式具有較大的工作空間和操作靈活性，機械臂的結構性容易進行優(yōu)化，便于提高機械手的動態(tài)操作性能。4.行走機構：有的工業(yè)機械手帶有行走機構。驅動機構：有氣動，液動，電動和機械式四種形式，比擬這四種驅動方式：〔1〕電動機驅動電動機驅動首先要考慮電源和電動機的調速控制裝置等的組成。a、電源電源為驅動電動機提供電能，電動機將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝置或直接驅動車門機構。目前，應用最廣泛的電源是鉛酸蓄電池，但隨著電動汽車技術的開展，鉛酸蓄電池由于比能量較低，充電速度較慢，壽命較短，逐漸被其他蓄電池所取代。正在開展的電源主要有鈉硫電池、鎳鉻電池、鋰電池、燃料電池、飛輪電池等。b、驅動電動機驅動電動機的作用是將電源的電能轉化為機械能，通過傳動裝直接驅動車輪和工作裝置。目前汽車上廣泛采用直流串激電動機，這種電機具有"軟"的機械特性，串激電動機負載的大小對電動機的轉速影響較大,當負載轉矩較大時電動機的轉速較低,當負載輕時,轉速又升高；還有一個優(yōu)點就是啟動時的勵磁電流大，所以與汽車的行駛特性非常相符。但直流電動機由于存在換向火花，比功率較小、效率較低，維護保養(yǎng)工作量大，隨著電機技術和電機控制技術的開展，勢必逐漸被直流無刷電動機〔BCDM〕、開關磁阻電機〔SRM〕和交流異步電動機所取代。c、電動機調速控制裝置電動機調速控制裝置的作用是控制電動機的電壓或電流，完成電動機的驅動轉矩和旋轉方向的控制。應用較廣泛的是晶閘管斬波調速，通過均勻地改變電動機的端電壓，控制電動機的電流，來實現電動機的無級調速。在驅動電動機的旋向變換控制中，直流電動機依靠接觸器改變電樞或磁場的電流方向，實現電動機的旋向變換?！?〕氣壓驅動氣壓驅動的動力源來自空壓機產生的壓縮空氣，通過氣壓傳動來控制執(zhí)行機構的運動。〔3〕液壓驅動液壓泵是將電動機輸出的機械能轉換為液體壓力能的能量轉換裝置，是液壓系統(tǒng)的動力源。液壓驅動執(zhí)行機構是液壓缸，是將液體的壓力能轉化為機械能，用于驅開工作機構作直線往復運動或往復擺動的。其結構簡單、工作可靠，與杠桿、連桿、齒輪齒條、棘輪棘爪、凸輪等機構配合能實現多種機械運動。液壓缸按其作用方式的不同，分為單作用式和雙作用式兩大類。單作用液壓缸只利用液壓力推動向一個方向運動，而反向運動那么依靠重力、彈簧力等來實現；雙作用缸正反向的運動都依靠液壓力推動來實現。如果采用液壓缸來驅動，那么可以實現機械手的多方位運動。綜合以上，本文所采取的驅動方式為液壓驅動。控制方式有電氣控制、電子控制、流體控制和氣動控制等多種，本文采用PLC控制。與普通微機類似，PLC也是由硬件和軟件組成的，在軟件的控制下，PLC才能正常工作,PLC的工作過程如下：a.輸入現場信息：在系統(tǒng)軟件的控制下，順次掃描各輸入點，讀入各輸入點的狀態(tài)。b.行程序：順次掃描用戶程序中的各條指令，根據輸入狀態(tài)和指令內容進行邏輯運算；c.輸出控制信號：根據邏輯運算的結果，輸出狀態(tài)存放器向各輸出點并行發(fā)出相應的控制信號，實現所需要的邏輯控制功能。上述過程執(zhí)行完后，又重新開始，反復的執(zhí)行，每執(zhí)行一遍所需的時間稱為掃描周期。PLC的掃描周期通常為幾十ms。在實際應用中，PLC的程序與機械設備的動作一一對應，自動完成整個開門、關門的動作。程序編制簡單、直觀，不容易出錯，而且容易修改。為了提高工作的可靠性，及時接受外來的控制命令，PLC每次在掃描期間，除完成上述三步操作外，通常還要故障自診斷，完成與編程器等的通信。處理完通信后，PLC繼續(xù)往下掃描，輸入現場信息，順序執(zhí)行用戶程序，輸出控制信號，完成一個掃描周期，然后又從自診斷開始，進行第二輪掃描。PLC就這樣不斷反復循環(huán)，實現對機器的連續(xù)控制，直到接受到停機命令，或因停電、出現故障等才停止工作。PLC的主要優(yōu)點：(1)應用靈活，用戶程序可以簡單而方便的修改和編制安裝和現場接線簡便。(2)操作方便，用戶程序編制清晰直觀。(3)完善的監(jiān)視和診斷功能。(4)控制功能強，既可完成順序控制，又可進行閉環(huán)回路控制，還可實現數據處理和簡單的生產事務管理。(5)體積小，重量輕，省電。PLC能夠實現整個過程的自動控制，有很強的邏輯功能，機械手的所有動作均可通過編程來控制。工業(yè)機械手的規(guī)格參數是說明機械手規(guī)格和性能的具體指標，一般包括以下幾個方面：1.抓重〔又稱臂力〕：額定抓取重量或稱額定負荷，單位為公斤；2.自由度數目和坐標形式：整機，手臂和手腕等運動共有幾個自由度，并說明坐標形式；3.定位方式：固定機械擋塊，可調機械擋塊，行程開關，電位器及其他各種位置設定和檢測裝置；4.驅動方式：氣動，液動，電動和機械式四種形式；5.手臂運動參數；6.手腕運動參數；7.手指夾持范圍和握力；8.定位精度：位置設定精度和重復定位精度；9.輪廓尺寸：長×寬×高〔毫米〕；10.重量：整機重量。3機械手各局部的計算與分析3.1手部計算與分析手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的主要有夾鉗式，本設計主要考慮夾鉗式手部設計。夾鉗式手部是由手指，傳動機構和驅動裝置三局部組成，它對抓取各種形狀的工件具有較大的適應性，可以抓取軸，盤，套類零件，一般情況下多采用兩個手指。3.1.1滑槽杠桿式手部設計的根本要求(1)應具有適當的夾緊力和驅動力。(2)手指應具有一定的開閉范圍。(3)應保證工件在手指內的夾持精度。(4)要求結構緊湊，重量輕，效率高。(5)應考慮通用性和特殊要求。3.1.2手部的計算和分析〔1〕手部受力分析圖3.1手部受力圖(1)圖3.2手部受力圖(2)〔2〕手指尺寸初步設定由拉桿的力平衡條件：得由得又由工件的平均半徑mm初取V型手指的夾角2mm，，，，滑桿總長h=170(3)夾緊力計算又由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零，手指水平位置夾取水平位置放置的工件。由工業(yè)機械手設計根底表2－1查得×又因為〔3.1〕當取最小值時，那么增力比擬大，手指走到最小行程時那么有那么又因為2amin取平安系數，工作情況系數傳動機構的機械效率(3.2)手指夾緊時：夾緊缸活塞移動范圍L＝130mm，其動作時間t=1.5s〔由機械手的動作節(jié)拍時間得之〕，所以夾緊活塞移動得平均速度v為：運動部件得總重估算G＝10kg夾緊力N與驅動力P的關系：由于結構左右對稱，在驅動力P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等在不計摩擦力的情況下，為夾緊狀態(tài)得傾斜角＝50°夾緊工件半徑為50mm為例＝38.9kg(3.3)根據各力對回轉支點的力矩平衡條件，同樣在不計摩擦力的情況下，c為杠桿動力臂，即驅動銷對滑槽杠桿作用力對支點的垂直距離。又因為a=50mmC=那么Nb=當夾緊半徑為25mm的工件時，＝那么Nb=(4)動作特性和傳動特點定位到最大行程時，那么取又因為，滑槽杠桿手指最大開閉角為滑槽傾斜角的變化范圍可以為可見機構傳動比將在以下范圍內變化，所以開始所初步取的a，b與均符合要求?！?〕確定夾緊油缸外徑D驅動桿行程與手指開閉范圍關系－分別為手指夾緊工件范圍值時，滑槽相對于兩支點連接的傾斜角。機構效率考慮到機構效率，傳力比N/P的公式應力又因為G=250N,夾緊力F=500N,-工作負載即為重物重力＝250N。－導軌摩擦阻力負載，對于平導軌－垂直于導軌的工作負載，＝0。f-導軌摩擦系數，取靜摩擦系數為0.2，動摩擦系數為0.1。，，一般取0.5s，時間內速度變化量啟動：穩(wěn)態(tài)：。計算液壓缸內徑D和活塞桿直徑d，由負載可知最大負載F為275N。根據液壓系統(tǒng)設計手冊表2－2可取，為0.95，d/D為0.7。又因為(3.4)根據液壓系統(tǒng)設計手冊表2－4，將液壓缸內徑圓整為標準系列直徑D=25mm,活塞桿直徑按d/D＝0.7及表2－5活塞直徑系列取d=18mm。按工作要求夾緊力為一個夾緊缸提供，考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工作壓力應大于復位彈簧的彈力。又因為進油缸在有桿腔，那么其有效工作面積(3.5)液壓缸壁厚和外徑計算，為最大工作壓力的1.5倍，。高強度鑄鐵，＝60液壓缸工作行程確實定，并參照表2－6中的系列尺寸選取標準值S=100mm。缸蓋厚度確實定一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強度要求計算。(3.6)現取t=20mm?；钊膶挾菳一般取B=()D=0.6D=15mm。夾緊缸彈簧確實定。彈簧工作載荷F=50N最大軸直徑最小筒直徑彈簧剛度查機械設計手冊表30.2－8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數得材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mm,節(jié)距P=10.4mm.單圈彈簧工作極限載荷下變形量為7.075mm，單圈彈簧剛度。(3.7)曲度系數＝1.14，G－彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G=Z=110mm,那么活塞缸總長L=120mm。3.2腕部計算與分析3.2.1腕部設計的根本要求手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運動的根底上進一步改變或調整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應性更強。手腕具有獨立的自由度，此設計手腕有繞X軸轉動和沿X軸左右擺動兩個自由度。手腕回轉運動機構為回轉油缸，擺動也采用回轉油缸。他的結構緊湊，靈活，自由度符合設計要求，它要求嚴格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉矩。1.腕部處于臂部的前端，它連同手部的動靜載荷均由臂部承受。腕部的結構、重量和動力載荷直接影響著臂部的結構、重量和運動性能。因此在腕部設計時，必須力求結構緊湊，重量輕。2.腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承當聯接和支承作用，除了保證力和運動的要求以及具有足夠的強度和剛度外還應綜合考慮合理布局腕部和手部的連接、腕部自由度的檢測和位置檢測、管線布置以及潤滑、維修調整等問題。3.腕部設計應充分估計環(huán)境對腕部的不良影響〔如熱膨脹，壓力油的粘度和燃點，有關材料及電控電測元件的耐熱性等問題〕。3.2.2腕部回轉力矩的計算腕部回轉時，需要克服以下幾種阻力：從圖3.4可知：＝××-軸承直徑〔m〕式中：－軸承處支反力；可靜力學平衡方程求得。f-軸承的摩擦系數，對于滾動軸承f=為簡化計算取圖3.4腕部回轉支承處的受力圖-工件重量〔kgf〕，-手部重量〔kgf〕，－手腕轉動件重量〔kgf〕重心偏置所引起的力矩＝〔kgf〕式中e－工件重心到手腕回轉軸線的垂直距離〔m〕3.克服啟動慣性，所需的力矩啟動過程近似等加速運動，根據手腕回轉的角加速度及啟動所用的角速度：＝(3.8)式中：－工件對手腕回轉軸線的轉動慣量J－手腕回轉局部對手腕回轉軸線的轉動慣量－手腕回轉過程的角加速－啟動過程所轉過的角度〔度〕手腕回轉所需要的驅動力矩應當等于上述三項之和。(3.9)因為手腕回轉局部的轉動慣量不是很大，手腕起動過程所產生的轉動力矩也不大，為了簡化計算，可以將計算，適當放大，而省略掉，這時(1)設手指，手指驅動油缸及回轉油缸轉動件為一個等效圓柱體，L=50cm，直徑D=10cm，那么m=27.5kg。(2)摩擦阻力矩(3)設起動過程所轉過的角度＝,等速轉動角速度計算：求＝查型鋼表有：代入＝256〔N·m〕＝0;;+265M=確定轉軸的最小尺寸，－抗扭剖面模量，查得，，取轉軸直徑d=40mm?；剞D油缸所產生的驅動力矩必須大于總的阻力矩，機械手的手腕回轉運動所采用的單葉片回轉油缸，定片1與缸體2固連，動片3與轉軸5固連，當a,b口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉到達手腕回轉目的。M=(3.10)式中：—手腕回轉總的阻力矩〔N·m〕P—回轉油缸的工作壓力r—缸體內徑半徑〔cm〕R—輸出軸半徑〔cm〕b—動片寬度注：可按外形要求或安裝空間大小，先設定b,R,r中兩個：—2.5,,取=2，=3又因為d=40mm，那么D=80mm，b=60mm去頂回轉油缸工作壓力：(3.11)由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此回轉油缸的工作壓力足以克服摩擦力。3.2.3腕部擺動油缸設計偏離重心e的計算及圖3.5腕部擺動油缸設計尺寸圖估計L=45cm，，=30cm克服重心偏置所需的力矩克服摩擦所需力矩克服運動慣性所需的力矩=0.7654(kg-m-)==25=5.1(kg-m-)=5.8654(kg-m-)=JW/t設w=,/=12.83(kgf·m)那么擺動所需的驅動力矩=32.14(kgf·m)確定轉軸的最小直徑抗拒剖面摸量所需驅動力矩(3.12)取d=50mm所以機械手的擺動采用單葉片回轉油缸，定片與缸體固連，動片與轉軸固連，當兩油口分別進出油時，動片帶動轉軸轉動到達腕部擺動目的。(3.13)又因為：—2.5,，取=2，=3所以：d=50mm，所以D=100mm，b=75mm確定回轉油缸工作壓力(3.14)由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此該缸的工作壓力足以克服摩擦力。3.2.4選鍵并校核強度轉軸直徑d=40mm,由GB1095-79選鍵為bh=128轉軸直徑d=50mm,由GB1095-79選鍵為bh=2010鍵校核如下公式=2T/kld[]，K——接觸面的高度取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得=100所以滿足要求3.3臂部計算與分析3.3.1臂部設計的根本要求手臂部件是機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部〔包括工作〕，并帶動它們作空間轉動。臂部運動的目的：把手部送到空間范圍內的任意一點。因此，臂部具有兩個自由度才能滿足根本要求：即手臂，左右回轉和俯仰運動。手臂的各種運動由油缸驅動和各種傳動機構來實現，從背部的受力情況分析，它在工作中既直接承受腕部，手部和工件的靜動載荷，而且自身運動又較多，故受力復雜。因而，它的結構，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機械手的工作性能。機身是固定的，它直接承受和傳動手臂的部件，實現臂部的回轉等運動。臂部要實現所要求的運動，需滿足以下各項根本要求：機械手臂式機身的承載能力，取決于其剛度，結構上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，那么剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷變化，對于機械手的運動性能，位置精度和負荷能力等影響很大。為可提高剛度，盡量縮短臂桿的懸伸長度，還應注意：(1)根據受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸臂部和機身既受彎曲〔而且不僅是一個方向的彎曲〕也受扭轉，應選用抗彎和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機械手常用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內部還可以布置驅動裝置，傳動機構以及管道，有利于結構的緊湊，外形整齊。(2)高支承剛度和選擇支承間的距離臂部和機身的變形量不僅與本身剛度有關，而且同支撐的剛度和支撐件間距離有很大關系，要提高剛度，除從支座的結構形狀，底板的剛度以及支座與底版的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度。(3)合理布置作用力的位置和方向在結構設計時，應結合具體受力情況，設法使各作用力的變形相互抵消。(1)設計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應盡可能使結構簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調整補償環(huán)節(jié)，以及減少重要不見的間隙，從而提高剛度。(2)水平放置的手臂，要增加導向桿的剛度，同時提高其配合精度和相對位置精度，使導向桿承受局部或者大局部自重。(3)提高活塞和剛體內徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。2.臂部運動速度要高，慣性要小機械手臂的運動速度是機械手主要參數之一，它反映機械手的生產水平，一般時根據生產節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉俯仰均要求均速運動，〔V和w為常數〕，但在手臂的啟動和終止瞬間，運動是變化的，為了減少沖擊，要求啟動時間的加速度和終止前的加速度不能太大，否那么引起沖擊和振動。對于告訴運動的機械手，其最大移動速度設計在1000～1500mm/s，最大回轉角速度設計在內，在大局部行程距離上平均移動速度為1000mm/s內，平均回轉角速度為內。為減少轉動慣量的措施：(1)減少手臂運動件的重量，采用鋁合金等輕質高強度材料。(2)減少手臂運動件的尺寸輪廓。(3)減少回轉半徑，在安排機械手動作順序時，先縮后回轉〔或先回轉后伸〕，盡可能在前伸位置下進行回轉動作，并且驅動系統(tǒng)中設有緩沖裝置。為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件，導向件和定位件布置應合理，使手臂運動過程盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死”的現象〔自鎖現象〕。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。(1)計算零件重量，可分解為規(guī)那么的體形進行計算。(2)計算零件重心位置，求出重心至回轉軸線的距離。(3)求重心位置并計算偏重力臂(3.15)(3.16)(4)計算偏重力矩(3.17)一般說來，直角和圓柱坐標式機械手位置精度較高；關節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差；在手冊上加設定位裝置和自檢測機構，能較好的控制位置精度，檢測裝置最好裝在最后的運動環(huán)節(jié)以減少或消除傳動，嚙合件的間隙。除此之外，要求機械手通用性要好，能適合各種作業(yè)的要求；工藝性要好，便于加工和安裝；用于熱加工的機械手，還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機械手，還要設置防塵裝置等。3.3.2手臂的設計計算通常先進行粗略的估算，根據運動參數初步確定有關機構的主要尺寸，在進行校核計算，修正設計。為了便于進行液壓機械手的設計計算，分別俯仰缸回轉油缸的設計表達如下：設小臂L=40cm,D=60cm那么m=那么手臂總重，L=100mm俯仰缸的設計計算圖3.6仰俯缸的設計尺寸圖設，，當手臂處在仰角為的位置時，驅動力P通過連桿機構產生的驅動力矩為因為，又因為=，=，而P=P—油缸的工作壓力〔〕D—油缸內徑〔cm〕—活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力〔kg〕—通油箱，=0=10600kg10600·cm當手臂處在俯角為的位置時，驅動力P通過連桿機構產生的驅動力因為：所以那么當手臂處在水平位置即為驅動力矩時因為由于手臂與支柱連軸有振動軸承，摩擦力矩較小=0所以驗證油缸是否滿足要求，滿足上仰條件，出于時(3.18)==1134kgf選取=0.7，所以(3.19)整理得到D=63mm，那么d=45mm。液壓缸壁和外徑計算(3.20)高強度鑄鐵，=60液壓缸為平底缸差，其厚度t按強度要求計算無孔時(3.21)取t=3mm液壓缸工作行程確實定由那么S=16mm那么由表2-6中的系列尺寸查得〔液壓系統(tǒng)設計手冊〕S=25cm那么活塞桿L=30cm活塞桿的穩(wěn)定性校核，活塞桿由45鋼制成。桿長300mm，d=45mm最大壓力P=1134N設穩(wěn)定平安系數為，由式〔10.9〕求出(3.22)活塞桿兩端可簡化為鉸支座，故，活塞桿橫截面為圓形i=故為，因為，故不能用歐拉公式計算使用直線公式，由表10.1查得，優(yōu)化碳鋼的由公式〔10.12〕可得可見活塞桿是小柔度變壓桿，由直線公式求出而P=1134N，活塞桿的工作平安系數為n=所以滿足要求。為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘的間距，進而決定螺釘的數目。缸的一端為缸體與缸蓋鑄造成一體，另一端缸體與缸蓋采用螺釘連接。(1)缸蓋螺釘的計算為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘的間距，進而決定螺釘的數目在這種連接中，每個螺釘在危險剖面上承受的拉力為工作載荷Q和預進力之和。式中：P—驅動力kgfP—工作壓力kgf/Z—螺釘數目，取8—預緊力kgf=K螺釘的強度條件為：式中：——計算載荷〔kgf〕表3-1螺釘間距與壓力p的關系工作壓力〔〕螺釘間距〔mm〕5—15<15015—25<12025—50<10050—100<80()抗拉許用應力，——螺紋內徑〔cm〕表3-2常用螺釘材料的流動極限鋼號10A2A3354540cr210022002400320036006500-9000(2)缸體螺紋計算(3.23)式中，，D—油缸內徑—考慮螺紋拉應力和扭應力合成作用系數取驅動手臂回轉的力矩D—輸出軸與缸差密封處的直徑〔cm〕L—密封的有效長度〔cm〕—“O”形密封圈的截面直徑〔cm〕—“O”—摩擦系數P—回轉軸缸的工作壓力〔kg/〕選取=0.5，b=10cm,p=80kg/,設=6mm假設，那么取，取，那么，D=14cm選用O型橡膠密封圈S58型，那么(3.24)—動片側面與缸蓋密封處的摩擦阻力距—回轉缸動片的角速度變化量，在啟動過程中〔弧度/秒〕—啟動過程時間—手臂回轉部件，對回轉軸的輕功慣量〔〕假設手臂回轉零件的重心與回轉軸的距離為那么—回轉零件對重心軸線的轉動慣量(3.25)=649.2〔〕設角速度，啟動時間—般取=0.2P=16〔〕由內徑公式(3.26)根本滿足要求，那么D=16cm，d=8cm。又由螺釘的強度條件為或〔取=8mm〕式中：—螺釘的內徑〔cm〕—計算載荷〔kgf〕—螺釘材料作用拉應力3.4機身計算與分析機身是直接支撐和傳動手臂的部件。一般實現臂部的升降，回轉或俯仰等運動的驅動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構成機體的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結構和受力情況就愈復雜。機身既可以是固定的，也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運動。此次設計機身為地面軌道運動式。它的驅動系統(tǒng)是步進電機其型號為Y132S—8功率2.2KW轉速710r/min，再電動機后接了一個圓錐圓柱齒輪減速器其輸出速度為1.2m/s。在后是一個制動箱。其主要參數是由外部計算機調整和控制，在很大程度上是由運動學和軌跡運動而去編制小車的運行程序。4液壓系統(tǒng)4．1液壓缸根據前面設計好的各種液壓缸的參數。參數〔包括設計出的參數〕：—表示第幾個缸的參數}無桿腔進油}有桿腔進油參數：注意參數中在前面設計中不夠明確時，那么要進行分析。參數〔包括已設計好的參數〕(1)單作用彈簧復位的夾緊缸；=25mm，=18mmF=注意：為尚未夾持工件的時間。(2)手腕回轉缸。=80mm，=40mm，=60mm(4.1)(3)手腕擺動缸(4)手臂回轉缸=160mm=80mm=120mm注意：忽略角加速度和角減速度的影響(5)手臂仰俯活塞缸：=63mm，=45mmV=5cm/s(1)夾緊缸：。(2)手腕回轉缸：(3)手腕擺動缸：(4)手臂回轉缸：(5)手臂仰俯活塞缸：4．2計算和選擇液壓元件4.2.1液壓泵的選取要求及其具體選取〔1〕計算液壓泵的工作壓力泵的工作壓力是所有液壓缸中工作壓力最大者與管道壓力損失之和。即：—管道和各類閥的全部壓力損失之和?？上裙烙嫞话闳。?〔5—8〕〔2〕計算液壓泵的流量，式中：K——〔3〕選擇液壓泵的規(guī)格參照設計手冊或產品樣本，選取其額定壓力比高25%—60%，其流量與上述計算一致的液壓泵?！?〕計算功率，選用電動機按工況圖，找出所有缸N-t圖中最高功率點的對應的〔計算值〕和泵額定流量的乘積，然后除以泵的總效率(4.2)確定液壓泵的流量壓力和選擇泵的規(guī)格，泵的工作壓力確實定。考慮到正常工作中進油路有一定的壓力損失，所以，泵的工作壓力為：—液壓泵的最高工作壓力；—執(zhí)行元件的最高工作壓力——，，=4.5+0.5=5上述計算所得的是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡，階段出現的動態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外考慮到，一定的壓力儲藏量并確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力應滿足泵流量確實定。液壓泵的最大流量應為：，—液壓泵的最大流量—同時工作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時溢流閥正進行工作，尚需加溢流閥的最小溢流量2～3L/min—系統(tǒng)泄漏系數，一般取=1.1-1.3，現取選擇液壓泵的規(guī)格。根據以上算得和，再查閱有關手冊，現選用YB-80BI雙聯葉片泵，該泵的根本參數為：每轉排量：10—194mL/r;泵的額定壓力；電動機轉速；容積效率；總效率?！?.14。同時，應注意到，為了使所選擇的電動機在經過泵的流量特性曲線最大功率點時，不致停車，需進行驗算，即(4.3)——泵出油量—油頭—主管損失油頭—泵的功率—傳動效率直接傳遞為1選電機：4.2.2選擇液壓控制閥的原那么按控制閥的額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量原那么4.2.3選擇液壓輔助元件的要求(1)濾油器按泵的最大流量選取流量略大些的濾油器，濾油精度在為網式或線段式濾油器即可。(2)油管和管接頭的通徑與閥一致來選取。(3)油箱容積Q=50Qp注意：Qp單位假設為L/min時，V的單位為Qp單位假設為時，V的單位為4.2.4具體選擇液壓元件1．換向回路的選擇緊缸換向選用二位三通閥，其他缸全部選用B型的三位四通電磁換向閥。選用B型電磁閥便于微機控制，選中位為O型是使定位準確。本系統(tǒng)是功率較小的，應選簡單的進油路節(jié)流閥調速。選用二位三通閥參加油路，便于微機控制，提高自動化程度。為防止伸縮缸在仰起一定角度后的自由下滑，都采用單向順序閥來平衡。為保證夾緊缸夾持工件的可靠性選用液控單向閥保壓和鎖緊。單向壓力補償調速閥：QI-63B，QI-130B，QI-23B單向閥：I-25減壓閥：I-10單向順序閥：XI-160B二位三通電磁閥：23D-10B，23D-50B，23D-100B二位四通電磁閥：24D-25B，34DY-63B，34S-160B線隙式濾油器：XU-B327-75XU-1337-50壓力表：Y-60=29mm夾緊油路d=11mm手腕回轉油路d=18mm手腕擺動油路d=18mm手腕回轉油路d=26mm手腕仰俯油路d=28mm液壓油箱的設計：〔1〕液壓油箱有效容積確實定液壓油箱在不同的工作條件下，影響散熱的條件很多，通常按壓力范圍來考慮。液壓油箱的有效容量v可概略地確定為：在中低壓系統(tǒng)中〔p〕，可取v=〔5—7〕。式中：V—液壓油箱有效容量；—液壓泵額定流量V=3=696=576，故V=576L應當注意：設備停止運轉后，設備中的那局部會因重力作用而流回液壓油箱。為了防止液壓油從油箱中溢出，油箱中液壓油位不能太高，一般不應超過液壓油箱高度的80%?！?〕液壓油箱的外形尺寸液壓油箱的有效容積確定需設計液壓油箱的外形尺寸，一般尺寸比〔長：寬：高〕為：1：1：1—1：2：3。為提高冷卻效率，在安裝位置不受限制時，可將液壓油箱的容量予以增大。根據油箱有效容量可選BEX—630。5機械手控制系統(tǒng)本次設計的機械手是以PLC控制個液壓元件來實現機械手各關節(jié)的運動。至于機械手在空間的運動和定位那么由外部的電腦操作系統(tǒng)完成，它主要先進行機器手的運動學分析，動力學分析，軌跡規(guī)劃和編程。從而由上述系統(tǒng)完成整個機械手在空間的行走，定位和重復定位等操作。電磁鐵動作循環(huán)圖如圖6-1所示。圖6.1PLC控制液壓系統(tǒng)圖6總結本篇設計的機械手綜合運用了機械零件、理論力學、材料力學、機械原理、金屬工藝學、熱處理、技術測量、機械制圖等知識，它主要是應用在那些單調、頻繁的操作中用以代替人的勞動