抓重25Kg關(guān)節(jié)坐標四自由度自動上下料液壓機械手的設(shè)計含8張CAD圖
抓重25Kg關(guān)節(jié)坐標四自由度自動上下料液壓機械手的設(shè)計含8張CAD圖,25,kg,關(guān)節(jié),坐標,自由度,自動,上下,液壓,機械手,設(shè)計,cad
自動上下料液壓機械手的設(shè)計
前 言
工業(yè)機械手是近年來各領(lǐng)域高速發(fā)展的重要產(chǎn)物，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，研究設(shè)計機械手對于提高勞動生產(chǎn)率，保證加工精度，降低生產(chǎn)成本有著深遠的意義。研究設(shè)計機械手有助于提高機構(gòu)分析與綜合的能力，機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力，機電液一體化系統(tǒng)設(shè)計的能力，同時也有助于掌握生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法。
為了適應(yīng)經(jīng)濟社會的飛速發(fā)展和日趨激烈的競爭，較好的融入自動化領(lǐng)域，我們不僅要學寬厚扎實的基礎(chǔ)知識，更要掌握廣博精深的專業(yè)知識，并且要在不斷地實踐中實現(xiàn)理論知識的融會貫通，進而達到理論指導(dǎo)實踐，實踐升華理論的良性循環(huán)效果。此次畢業(yè)設(shè)計就是綜合各學科后的一次實踐檢驗。
畢業(yè)設(shè)計對于畢業(yè)生而言是相當重要的，它不僅是對我們大學所學知識的歸納與應(yīng)用，更是我們展望該領(lǐng)域、了解該領(lǐng)域，更好的融入工作崗位的重要一步，對我們的職業(yè)生涯有著舉足輕重的作用。
畢業(yè)設(shè)計是綜合運用我們各方面知識的關(guān)鍵一步，通過設(shè)計我們可以進一步熟練相關(guān)軟件的操作，培養(yǎng)我們綜合分析問題的能力和快速獲取知識的能力等，為我們畢業(yè)后在工作崗位中游刃有余奠定了堅實的基礎(chǔ)。
本次畢業(yè)設(shè)計是XX老師耐心指導(dǎo)的結(jié)晶，在設(shè)計的整個過程中，趙老師給予了重要的指導(dǎo)，為整個設(shè)計撥正了“航向”。在設(shè)計中，我參閱了大量的手冊資料，拜讀了不少業(yè)內(nèi)人士的相關(guān)研究論文，可謂是一次空前的鍛煉自我，提升自我的過程，但是由于時間和個人能力經(jīng)驗的欠缺，設(shè)計中難免會有不妥之處，懇請各位老師給予批評指正。
目 錄
前 言 i
摘 要 iv
Abstract v
第一章 機械手概況及其發(fā)展前景展望 1
第一節(jié) 工業(yè)機械手的分類 2
一、按規(guī)格（所搬運工件的重量）分類 2
二、按功能分類 2
三、按用途分類 2
第二節(jié) 工業(yè)機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用 3
第三節(jié) 液壓驅(qū)動自動上下料機械手的特點 3
第四節(jié) 機械手發(fā)展前景展望 4
第二章 自動上下料機械手的設(shè)計方案 6
第一節(jié) 機械手的組成 6
第二節(jié) 機械手方案設(shè)計 7
第三節(jié) 工作范圍的確定 9
第四節(jié) 確定運動速度 9
第五節(jié) 手臂的配置形式 10
第三章 機械手各部件的計算與分析 11
第一節(jié) 機械手手部的計算分析 11
一、設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題 11
二、滑槽杠桿式手部設(shè)計的基本要求 12
三、手部驅(qū)動力的計算與分析 12
第二節(jié) 腕部計算與分析 18
一、腕部設(shè)計的基本要求 18
二、腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算 18
三、選鍵并校核強度 21
第三節(jié) 臂部計算與分析 22
一、臂部設(shè)計的基本要求 22
二、手臂的設(shè)計計算 24
三、油缸端蓋的連接方式及強度計算 28
四、大臂回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計 29
第四節(jié) 機身計算與分析 32
第四章 機械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計 33
第一節(jié) 機械手液壓系統(tǒng)簡介 33
第二節(jié) 液壓系統(tǒng)的組成 33
第三節(jié) 機械手液壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng) 33
一、壓力控制回路 34
二、速度控制回路 34
三、方向控制回路 35
第四節(jié) 機械手的液壓傳動系統(tǒng) 35
第五節(jié) 液壓缸計算 36
一、活塞缸 36
二、擺動缸 36
三、估算流量 37
第六節(jié) 計算和選擇液壓元件 37
一、計算和選定液壓泵及其驅(qū)動電機 37
二、選擇液壓控制閥的原則 39
三、選擇液壓輔助元件的要求 40
四、具體選擇液壓元件 40
第五章 液壓缸的保養(yǎng)與維修 43
第一節(jié) 液壓元件的安裝 43
第二節(jié) 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護 43
第三節(jié) 一般技術(shù)安全事項 44
第六章 PLC控制回路的設(shè)計 45
第一節(jié) 可編程序控制器的選擇及工作過程 45
一、可編程序控制器的選擇 45
二、可編程序控制器的工作過程 45
第二節(jié) 可編程序控制器的使用步驟 46
第三節(jié) 機械手可編程序控制器控制方案 47
第四節(jié) 電磁鐵動作順序 48
第五節(jié) PLC與現(xiàn)場器件的實際連接圖 49
第六節(jié) 梯形圖的繪制 49
第七節(jié) 指令程序 51
結(jié) 論 52
參考文獻 53
外文資料 54
中文翻譯 59
致 謝 62
摘 要
液壓機械手是一種具有抓取和轉(zhuǎn)移工件的自動化設(shè)備，廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。
本設(shè)計中的機械手采用關(guān)節(jié)坐標形式，通過液壓系統(tǒng)驅(qū)動，PLC系統(tǒng)控制來實現(xiàn)四個自由度。
在設(shè)計中，我運用液壓、機械和電氣等方面的知識全面系統(tǒng)地完成了自動上下料機械手的設(shè)計，主要包括機械系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)。機械部分的設(shè)計主要是在結(jié)構(gòu)分析后的機械力學計算，包括手部、臂部和機身，液壓系統(tǒng)的設(shè)計包括系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計和元件選型；控制系統(tǒng)的設(shè)計包括繪制梯形圖和電氣元件選型。
關(guān)鍵詞：液壓機械手；機械系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；PLC控制系統(tǒng)
Abstract
Hydraulic manipulator is a sort of automation device which has a function of grasp and transfer workpieces during the automated production.It is widely used industry field.The articulated manipulator is rely on the hydraulic sestem and PLC to achieve four freedom of motion,
In this thesis,we use the knowledge of hydraulic, mechanism and electric control to comprehensively complete the design of hydraulic manipulator for automatic load and unload , including machine system,hydraulic and PLC control system.the mechanical part is designed on the basis of mechanics computation foundation after the structure analysis,including hang arm and fuselage.The hydraulic system design including the hydraulic computation and the selection of hydraulic components.The PLC control syetem design including ploting the ladder diagram,write instruction table and selecting the control components.
Keywords: hydraulic manipulator；machine system; hydraulic system;
PLC control syetem;
v
第一章 機械手概況及其發(fā)展前景展望
工業(yè)機械手是人類創(chuàng)造的一種機器,更是人類創(chuàng)造的一項偉大發(fā)明。它能模仿人的手和臂的某些動作功能，用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。主要由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)和控制系統(tǒng)三大部分組成。它可代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產(chǎn)的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應(yīng)用于機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門，為各行各業(yè)帶來了相當可觀的經(jīng)濟效果。
機械手的研究、開發(fā)和設(shè)計是從二十世紀中葉開始的，而我國的工業(yè)機械手是從80年代“七五”科技攻關(guān)開始的,當時，在國家的大力支持下,通過“七五”,“八五”科技攻關(guān),截止目前，我國已經(jīng)基本掌握了機械手的設(shè)計制造技術(shù),控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計技術(shù),運動學和軌跡規(guī)劃技術(shù),生產(chǎn)了部分機器人關(guān)鍵元器件，研究開發(fā)出了噴漆、孤焊、點焊、裝配、搬運等專用機械手，其中有130多臺噴漆機械手在二十余家企業(yè)的近30條自動噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，孤焊機器人也已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機械裝配的各個生產(chǎn)線上。
自動上下料機械手主要實現(xiàn)機床制造過程的完全自動化，并采用了集成加工技術(shù)，適用于生產(chǎn)線的上下料、工件翻轉(zhuǎn)、工件轉(zhuǎn)序等。在國內(nèi)的機械加工，目前很多都是使用專機或人工進行機床上下料的方式，這在產(chǎn)品比較單一、產(chǎn)能不高的情況下是非常適合的，但是隨著社會的進步和發(fā)展，科技的日益進步，產(chǎn)品更新?lián)Q代加快， 使用專機或人工進行機床上下料就暴露出了很多的不足和弱點，一方面專機占地面積大結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維修不便，不利于自動化流水線的生產(chǎn)；另一方面，它的柔性不夠，難以適應(yīng)日益加快的變化，不利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整；其次，使用人工會造成勞動強度的增加，容易產(chǎn)生工傷事故，效率也比較低下，且使用人工上下料的產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性不夠，不能滿足大批量生產(chǎn)的需求。使用上下料機器人自動柔性搬運系統(tǒng)就可以解決以上問題, 該系統(tǒng)具有很高的效率和產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性, 柔性較高且可靠性高, 結(jié)構(gòu)簡單更易于維護, 可以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn), 對用戶來說, 可以很快進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和擴大產(chǎn)能, 并且可以大大降低產(chǎn)業(yè)工人的勞動強度。
第一節(jié) 工業(yè)機械手的分類
為了滿足人類生產(chǎn)生活的需要，人們設(shè)計研究了種類繁多的機械手，一般都從規(guī)格和性能兩方面來分類。
一、按規(guī)格（所搬運工件的重量）分類
(一)微型機械手（搬運重量在1公斤以下）：
（二）小型機械手（搬運重量在10公斤以下）：
（三）中型機械手 (搬運重量在50公斤以下)：
（四）大型機械手 (搬運重量在50公斤以上)。
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，機械手的規(guī)格不斷細化，通用性、專用性不斷增強?，F(xiàn)在的機械手最小的可以搬運0.5公斤，最大的可以搬運800公斤。
二、按功能分類
（一）簡易型工業(yè)機械手
這種機械手多為氣動或液動，結(jié)構(gòu)簡單，改變程序比較容易。一般使用在程序較簡單的點位控制場合，但作為一般單機服務(wù)的搬運作業(yè)已足夠。所以，目前這種工業(yè)機械手數(shù)量最多。
（二）記憶再現(xiàn)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，由磁帶把程序記錄下來，此機械手就自動按記憶的程序重復(fù)進行循環(huán)動作，多為電液伺服驅(qū)動，與前者比較有較多的自由度，能進行程序較復(fù)雜的作業(yè)，通用性較廣。
（三）計算機數(shù)字控制的工業(yè)機械手
這種機械手可通過更換穿孔帶或其他記憶介質(zhì)來改變工業(yè)機械手的動作，控制可以是可編程序控制或普通的微機計算機控制。
（四）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(gòu)等，是自動化領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)之一。
三、按用途分類
（一）專用機械手
專用機械手一般附屬于主機，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)機械手工作對象不變，手動比較簡單，結(jié)構(gòu)簡單，使用可靠，適用于大批量生產(chǎn)自動線或?qū)C作為自動上、下料用。
（二）通用機械手
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。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(jīng)常變換的中、小批量自動化生產(chǎn)。
第二節(jié) 工業(yè)機械手在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用
工業(yè)機械手在生產(chǎn)中的應(yīng)用非常廣泛，主要可以歸納為以下幾方面：
（一）制造旋轉(zhuǎn)零件體自動線方面
制造旋轉(zhuǎn)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。
（二）在實現(xiàn)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(xiàn)全自動化生產(chǎn)。
2．注塑機有加料、合模、成型、分模等自動工作循環(huán)，裝上機械手自動取料，可實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。
3．沖床有自動上下沖壓循環(huán)，機械手上下料可實現(xiàn)沖壓上產(chǎn)自動化。
（三）鑄、鍛、焊、熱處理等方面
熱處理基本都在高溫高壓下進行，利用機械手可以防止高溫輻射對人體的危害。
第三節(jié) 液壓驅(qū)動自動上下料機械手的特點
在生產(chǎn)實踐中，機械手以其動作靈活，實用性強等特點滿足了社會生產(chǎn)的諸多需要，給人類帶來了很多方便。其主要特點：
(一)對環(huán)境的適應(yīng)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。
(二)機械手能持久、耐勞、可以把人從單調(diào)的繁重的勞動中解放出來，并能擴大和延伸人的功能。
(三)動作準確，可保證穩(wěn)定和提高產(chǎn)品的質(zhì)量，同時可避免人為操作的錯誤。
(四)通用性靈活性好，特別是通用機械手，能適應(yīng)產(chǎn)品品種迅速變化的要求，滿足柔性生產(chǎn)的需要。
(五)采用機械手能明顯的提高勞動生產(chǎn)率和降低成本。
液壓驅(qū)動機械手是機械手家族中的重要一員，液壓機械手的主要特點是：
（一）可用于高溫金屬模板沖壓機床，來料溫度：900℃，出料溫度200℃；
（二）獨特的二倍行程手臂疊加機構(gòu)，倍速機構(gòu)，可以滿足小空間、大行程的技術(shù)要求。
（三）運行速度快，保證來料的溫度不下降，滿足沖壓工藝要求。
（四）性價比高。
第四節(jié) 機械手發(fā)展前景展望
隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，機械手的應(yīng)用將會越來越廣泛，機械手的靈活性、通用性將會越來越強大，今后的機械手將會朝著以下幾方面發(fā)展。
一、重復(fù)高精度
精度是指機械手達到指定點的精確程度，它與驅(qū)動器的分辨率以及反饋裝置有關(guān)。重復(fù)精度是指如果動作重復(fù)次數(shù)多，機械手到達同樣位置的精確程度。重復(fù)精度比精度更重要，如果一個機械手定位不夠精確，通常會顯示一個固定的誤差，這個誤差是可以預(yù)測的，因此可以通過編程予以校正。重復(fù)精度限定的是一個隨機誤差的范圍，它通過一定次數(shù)地重復(fù)運行機械手來測定。隨著微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，機械手的重復(fù)精度將越來越高，它的應(yīng)用領(lǐng)域也將更廣闊，如核工業(yè)和軍事工業(yè)等。
二、模塊化
有的公司把帶有系列導(dǎo)向驅(qū)動裝置的機械手稱為簡單的傳輸技術(shù)，而把模塊化拼裝的機械手稱為現(xiàn)代傳輸技術(shù)。模塊化拼裝的機械手比組合導(dǎo)向驅(qū)動裝置更具靈活的安裝體系。它集成電接口和帶電纜及油管的導(dǎo)向系統(tǒng)裝置，使機械手動作自如。模塊化機械手使同一機械手可能應(yīng)用不同的模塊而具有不同的功能，擴大了機械手的應(yīng)用范圍，是機械手的一個重要的發(fā)展方向。
三、節(jié)能化
為了適應(yīng)食品、醫(yī)藥、生物工程、電子、紡織、精密儀器等行業(yè)的無污染要求不加潤滑脂的不供油潤滑元件已經(jīng)問世。隨著材料技術(shù)的進步，新型材料的出現(xiàn)，構(gòu)造特殊、用自潤滑材料制造的無潤滑元件，不僅節(jié)省潤滑油、不污染環(huán)境，而且系統(tǒng)簡單、摩擦性能穩(wěn)定、成本低、壽命長。
四、機電液一體化
由“可編程控制器—傳感器—液壓元件”組成的典型的控制系統(tǒng)仍然是自動化技術(shù)的重要方面；發(fā)展與電子技術(shù)相結(jié)合的自適應(yīng)控制液壓元件，使液壓技術(shù)從“開關(guān)控制”進入到高精度的“反饋控制”；節(jié)省配線的復(fù)合集成系統(tǒng)，不僅減少配線、配管和元件，而且拆裝簡單，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。而今，電磁閥的線圈功率越來越小，而PLC的輸出功率在增大，由PLC直接控制線圈變得越來越可能。
第二章 自動上下料機械手的設(shè)計方案
第一節(jié) 機械手的組成
工業(yè)機械手是由執(zhí)行機構(gòu)，驅(qū)動機構(gòu)和控制部分所組成。
各部分關(guān)系如下圖2-1所示：
工件
執(zhí)行機構(gòu)
驅(qū)動機構(gòu)
控制機構(gòu)
位置檢測裝置
圖2-1 工業(yè)機械手各部分關(guān)系圖
一、執(zhí)行機構(gòu)：
執(zhí)行機構(gòu)包括抓取部分（手部）、腕部、臂部和行走機構(gòu)等運動部件所組成。
（一）手部：直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型。傳動機構(gòu)形式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。
（二）腕部：是聯(lián)接手部和手臂的部件，并可用來調(diào)整被抓取物體的方位。
（三）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(yù)定要求將其搬運到給定位置。
該設(shè)計的手臂有四個自由度，采用關(guān)節(jié)式坐標（手臂回轉(zhuǎn)、手腕回轉(zhuǎn)、手臂仰俯和機身移動）關(guān)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(jié)構(gòu)性容易進行優(yōu)化，便于提高機械手的動態(tài)操作性能。
?。ㄋ模┬凶邫C構(gòu)：有的工業(yè)機械手帶有行走機構(gòu)。
二、驅(qū)動機構(gòu)
有氣動，液動，電動和機械式四種形式。
三、控制系統(tǒng)
一般選用電氣PLC控制，有點位控制和連續(xù)控制兩種方式。
第二節(jié) 機械手方案設(shè)計
一、黑箱結(jié)構(gòu)：如圖2-2所示：
圖2-2 設(shè)計方案
二、機械手動作分析及運動分析，如圖2-3所示，工件首先被機械手夾緊，然后再隨之一起運動。其周期運動可以表現(xiàn)為：夾緊 、上仰、 底座移動、大臂回轉(zhuǎn)、下俯、 放松工件、上仰、底座移動、大臂逆轉(zhuǎn)、下俯。
圖2-3 機械手運動圖
三、功能原理如圖2-4所示：
信息
控制
松開
下俯
工件
夾緊
移動
回轉(zhuǎn)
分配
轉(zhuǎn)換
能量
支持和聯(lián)接
圖2-4 機械手功能原理圖
四、傳動系統(tǒng)
如果機械手采用機械傳動，則自由度少，難于實現(xiàn)特別復(fù)雜的運動。而對于自動上下料的機械手，其工件的運動需要多個自由度才能完成，故不宜采機用機械傳動方案.如果機械手采取氣壓傳動，由于氣控信號比光、電信號慢得多，且由于空氣的可壓縮性，工作時容易產(chǎn)生抖動和爬行，造成執(zhí)行機構(gòu)運動速度和定位精度不可靠，效率也較低。電氣傳動必須有減速裝w和將電機回轉(zhuǎn)運動變成Ii線運動的裝置，結(jié)構(gòu)龐大，速度不易控制。氣液聯(lián)合控制和電液聯(lián)合控制則使系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)上很復(fù)雜。綜上所述.我們選擇液壓傳動方式。
控制系統(tǒng)
本機械手是專用自動機械手，選擇智能控制方式中的PLC程序控制方式，這樣可以使機械手的結(jié)構(gòu)更加緊湊和完美。
五、執(zhí)行系統(tǒng)分析
本機械手的執(zhí)行系統(tǒng)是手部機構(gòu).手部機構(gòu)形式多樣，但綜合其總體構(gòu)型，可分為:氣吸式、電磁式和鉗爪式3種。本設(shè)計選擇鉗爪式手部結(jié)構(gòu)。
六、坐標形式分析
分析本機械手的運動形式及其組合情況，采用關(guān)節(jié)坐標形式。
第三節(jié) 工作范圍的確定
機械手的工作范圍根據(jù)工藝要求和操作運動的軌跡來確定。一個操作運動的軌跡是幾個動作的合成，在確定工作范圍時，可將軌跡分解成單個的動作，由單個動作的行程確定機械手的最大行程。本機械手的動作范圍確定如下：
手腕回轉(zhuǎn)順逆各180°
手臂回轉(zhuǎn)角度90°
手臂上仰60°
手臂下俯90°
底座移動2000mm
第四節(jié) 確定運動速度
機械手各動作的最大行程確定之后，可根據(jù)生產(chǎn)需要的工作拍節(jié)分配每個動作的時間，進而確定各動作的運動速度。液壓上料機械手要完成整個上料過程，需完成夾緊工件、手臂仰俯、底座移動、手臂手腕回轉(zhuǎn)等一系列的動作，這些動作都應(yīng)該在工作節(jié)拍規(guī)定的時間內(nèi)完成，具體時間的分配取決于很多因素，根據(jù)各種因素反復(fù)考慮，對分配的方案進行比較，才能確定。
機械手的總動作時間應(yīng)小于或等于工作拍節(jié)，如果兩個動作同時進行，要按時間長的計算，分配各動作時間應(yīng)考慮以下要求：
一、給定的運動時間應(yīng)大于液壓元件的執(zhí)行時間；
二、伸縮運動的速度要大于回轉(zhuǎn)運動的速度，因為回轉(zhuǎn)運動的慣性一般大于伸縮運動的慣性。在滿足工作拍節(jié)要求的條件下，應(yīng)盡量選取較底的運動速度。機械手的運動速度與臂力、行程、驅(qū)動方式、緩沖方式、定位方式都有很大關(guān)系，應(yīng)根據(jù)具體情況加以確定。
三、在工作拍節(jié)短、動作多的情況下，常使幾個動作同時進行。為此驅(qū)動系統(tǒng)要采取相應(yīng)的措施，以保證動作的同步。
液壓上料機械手的各運動速度如下：
手腕回轉(zhuǎn)速度
手臂上仰速度
手臂下俯速度
底座水平運動速度
手指夾緊油缸的運動速度
第五節(jié) 手臂的配置形式
機械手的手臂配置形式基本上反映了它的總體布局。運動要求、操作環(huán)境、工作對象的不同，手臂的配置形式也不盡相同。本機械手采用機座式。機座式結(jié)構(gòu)多為工業(yè)機器人所采用，機座上可以裝上獨立的控制裝置，便于搬運與安放，機座底部也可以安裝行走機構(gòu)，已擴大其活動范圍，它分為手臂配置在機座頂部與手臂配置在機座立柱上兩種形式，本機械手采用手臂配置在機座頂部的形式。手臂配置在機座頂部的機械手多為關(guān)節(jié)坐標型，它有仰俯與回轉(zhuǎn)運動，工作范圍較大。
圖2-5 關(guān)節(jié)式機械手運動簡圖
第三章 機械手各部件的計算與分析
第一節(jié) 機械手手部的計算分析
手部是機械手直接用于抓取和握緊工件或夾持專用工具進行操作的部件，它具有模仿人手的功能，并安裝于機械手手臂的前端。機械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、，它沒有手掌，只有自身的運動將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計各種類型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。鉗爪式手部結(jié)構(gòu)由手指和傳力機構(gòu)組成。其傳力機構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式……等，這里采用滑槽杠桿式。
一、設(shè)計時應(yīng)考慮的幾個問題
（一）應(yīng)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(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不致產(chǎn)生松動或脫落。
（二）手指間應(yīng)有一定的開閉角
兩個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。手指的開閉角保證工件能順利進入或脫開。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。
（三）應(yīng)保證工件的準確定位
為使手指和被夾持工件保持準確的相對位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)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）應(yīng)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(chǎn)生的慣性力和振動的影響，要求具有足夠的強度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。
（五）應(yīng)考慮被抓取對象的要求
應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù)量的不同，來設(shè)計和確定手指的形狀。
二、滑槽杠桿式手部設(shè)計的基本要求
(一)應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力和驅(qū)動力。
(二)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍。
(三)應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。
(四)要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。
(五)應(yīng)考慮通用性和特殊要求。
三、手部驅(qū)動力的計算與分析
（一）手部受力分析
圖3-1 滑槽杠桿式手部受力分析圖
?。ǘ┦种赋叽绯醪皆O(shè)定
由拉桿的力平衡條件，取點O為研究對象：
得
由得
又由工件的平均半徑：
初取V型手指的夾角：。
，，，，滑桿總長。
(三)夾緊力計算
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(shè)計基礎(chǔ)表2-1查得:
又因為
當取最小值時，則增力比較大，手指走到最小行程時則有，過大會導(dǎo)致拉桿行程過大，這里取。
又因為
這里取安全系數(shù)，工作情況系數(shù)；傳動機構(gòu)的機械效率
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為：
（四）夾緊力N與驅(qū)動力P的關(guān)系：
由于結(jié)構(gòu)左右對稱，在驅(qū)動力的作用下，每一滑槽杠桿受力相等
圖3-2 夾緊力與驅(qū)動力的關(guān)系圖
在不計摩擦力的情況下
，為夾緊狀態(tài)的傾斜角＝50，夾緊工件半徑為50mm為例
＝38.9kg
根據(jù)各力對回轉(zhuǎn)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(qū)動銷對滑槽杠桿作用力對支點的垂直距離。
又因為a=50mm
C=
則 Nb=
當夾緊半徑為25mm的工件時，＝
則Nb=
(五)動作特性和傳動特點
定位到最大行程時，
則取
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(gòu)傳動比將在下列范圍內(nèi)變化
，
所以開始所初步取的a，b與均符合要求。
（六）確定夾緊油缸外徑D
驅(qū)動桿行程與手指開閉范圍關(guān)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(gòu)效率，考慮到機構(gòu)效率，傳力比N/P的公式應(yīng)力
＝0.9
又因為G=250N,夾緊力F=500N,
-工作負載即為重物重力＝250N。
－導(dǎo)軌摩擦阻力負載，對于平導(dǎo)軌
－垂直于導(dǎo)軌的工作負載，＝0。
-導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2，動摩擦系數(shù)為0.1。
，
，一般?。?.010.5s，時間內(nèi)速度變化量
啟動：
穩(wěn)態(tài)：
工作壓力P的確定，工作壓力根據(jù)負載大小及機器的類型來初步確定。參閱機械設(shè)計手冊表37.5按載荷選擇工作壓力為1。
（七）計算液壓缸內(nèi)徑D和活塞桿直徑d，由負載可知最大負載F為275N。
根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計手冊表2－2可取為0.5，為0.95，d/D為0.7。
又因為
式中：D—液壓缸內(nèi)徑
P—液壓缸工作壓力
—液壓缸工作效率，
根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計手冊表2-4，將液壓缸內(nèi)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(yīng)大于復(fù)位彈簧的彈力。
又因為進油缸在有桿腔，則其有效工作面積
液壓缸壁厚和外徑計算
式中：-最大工作壓力的1.5倍，＝1.5。
-高強度鑄鐵，＝60
液壓缸工作行程的確定，并參照表2－6中的系列尺寸選取標準值S=100mm。
（八）缸蓋厚度的確定
一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強度要求計算。
現(xiàn)取t=20mm；
活塞的寬度B一般取=(0.6～1.0),Z這里取0.6=15mm；
夾緊缸彈簧的確定；
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(shè)計手冊表30.2－8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)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。
曲度系數(shù)＝1.14，G－彈簧材料的剪切彈性模量，鋼材G=
Z=110mm,則活塞缸總長。
第二節(jié) 腕部計算與分析
一、腕部設(shè)計的基本要求
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基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，適應(yīng)性更強。手腕具有獨立的自由度，此設(shè)計手腕有繞X軸轉(zhuǎn)動和沿X軸左右擺動兩個自由度。手腕回轉(zhuǎn)運動機構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動也采用回轉(zhuǎn)油缸。他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，自由度符合設(shè)計要求，它要求嚴格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。
(一)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(jié)構(gòu)、重量和動力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運動性能。因此在腕部設(shè)計時，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。
（二）腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔聯(lián)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(yīng)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(diào)整等問題。
（三）腕部設(shè)計應(yīng)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(guān)材料及電控電測元件的耐熱性等問題）。
二、腕部回轉(zhuǎn)力矩的計算
腕部回轉(zhuǎn)時，需要克服手腕啟動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕轉(zhuǎn)動軸與支撐孔處的摩擦阻力矩，轉(zhuǎn)動的重心軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩
（—）腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩
從圖3-3可知：＝
式中：－軸承處支反力 （N）
-軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承0.01～0.02，滑動軸承：0.1；
為簡化計算取
圖3-3 腕部回轉(zhuǎn)支承處的受力圖
-工件重量，-手部重量，－手腕轉(zhuǎn)動件重量
（二）克服由于重心偏置所引起的力矩
＝
式中：e－工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離（m）當工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時，
（三）克服啟動慣性，所需的力矩
啟動過程近似等加速運動，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角加速度及啟動所用的角速度：
＝
式中：－工件對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量()
J－手腕回轉(zhuǎn)部分對手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）
－手腕回轉(zhuǎn)過程的角加速
－啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度（度）
手腕回轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動力矩應(yīng)當?shù)扔谏鲜鋈椫汀?
因為手腕回轉(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動慣量不是很大，手腕起動過程所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)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(shè)手指驅(qū)動油缸及回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動件為一個等效圓柱體，L=50cm，直徑D=10cm，則m=27.5kg。
2.摩擦阻力矩＝0.1
3.設(shè)起動過程所轉(zhuǎn)過的角度 ,等速轉(zhuǎn)動角速度
計算：求＝
查型鋼表有：
代入相關(guān)數(shù)據(jù)得：＝256（N·m）
＝0;＝0.1;＝0.1+265
（N·m）
確定轉(zhuǎn)軸的最小尺寸
，－抗扭剖面模量
，查得
，，取轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm。
（四）回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩計算
回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩必須大于總的阻力矩，機械手的手腕回轉(zhuǎn)運動所采用的單葉片回轉(zhuǎn)油缸，定片1與缸體2固連，動片3與轉(zhuǎn)軸5固連，當a,b口分別進出油時，動片帶動轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)達到手腕回轉(zhuǎn)目的。
圖3-4 回轉(zhuǎn)缸簡圖
1-定片 2-缸體 3-動片 4-密封圈 5-轉(zhuǎn)軸
回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力矩：
M=
式中：—手腕回轉(zhuǎn)總的阻力矩（N·m）
—回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力
—缸體內(nèi)徑半徑（cm）
—輸出軸半徑（cm）
—動片寬度
注：可按外形要求或安裝空間大小，先設(shè)定b,R,r中兩個：
=1.5—2.5,,取=2，=3
又因為d=40mm，則D=80mm，b=60mm
回轉(zhuǎn)油缸工作壓力：
由于系統(tǒng)工作壓力遠遠大于此壓力，因此回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力足以克服摩擦力。
三、選鍵并校核強度
轉(zhuǎn)軸直徑,由GB1095-79選鍵為bh=128
轉(zhuǎn)軸直徑,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
經(jīng)驗算，算選鍵滿足要求。
第三節(jié) 臂部計算與分析
一、臂部設(shè)計的基本要求
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(zhuǎn)動。
臂部運動的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點。因此，臂部具有兩個自由度才能滿足基本要求：即手臂，左右回轉(zhuǎn)和俯仰運動。手臂的各種運動由油缸驅(qū)動和各種傳動機構(gòu)來實現(xiàn)，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(fù)雜。因而，它的結(jié)構(gòu)，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(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運動。臂部要實現(xiàn)所要求的運動，需滿足下列各項基本要求：
（一）機械手臂式機身的承載
機械手臂式機身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。顯然，伸縮臂桿的懸伸長度愈大，則剛度逾差，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(yīng)注意：
1.根據(jù)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(zhuǎn)，應(yīng)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(nèi)部還可以布置驅(qū)動裝置，傳動機構(gòu)以及管道，有利于結(jié)構(gòu)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(guān)，而且同支撐的剛度和支撐件間距離有很大關(guān)系，要提高剛度，除從支座的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合具體受力情況，設(shè)法使各作用力的變形相互抵消。
1.設(shè)計臂部時，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu)簡單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調(diào)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(dǎo)向桿的剛度，同時提高其配合精度和相對位置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或者大部分自重。
3.提高活塞和剛體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。
?。ǘ┍鄄窟\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(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平，一般時根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)俯仰均要求均速運動，（V和w為常數(shù)），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，否則引起沖擊和振動。
對于告訴運動的機械手，其最大移動速度設(shè)計在1000～1500mm/s，最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動速度為1000mm/s內(nèi)，平均回轉(zhuǎn)角速度為內(nèi)。
為減少轉(zhuǎn)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(zhì)高強度材料。
2.減少手臂運動件的尺寸輪廓。
3.減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），
盡可能在前伸位置下進行回轉(zhuǎn)動作，并且驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。
?。ㄈ┦直蹌幼鲬?yīng)靈活
為減少手臂運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動摩擦代替滑動摩擦。
對于懸臂式的機械手，其傳動件，導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)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(xiàn)象（自鎖現(xiàn)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)則的體形進行計算。
2.計算零件重心位置，求出重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離。
3.求重心位置并計算偏重力臂
4.計算偏重力矩
（四）位置精度要高
一般說來，直角和圓柱坐標式機械手位置精度教高；關(guān)節(jié)式機械手的位置最難控制，精度差；在手冊上加設(shè)定位裝置和自檢測機構(gòu)，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，要求機械手同用性要好，能適合做種作業(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(shè)置防塵裝置等。
二、手臂的設(shè)計計算
通常先進行粗略的估算，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，在進行校核計算，修正設(shè)計。
為了便于進行液壓機械手的設(shè)計計算，分別俯仰缸回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計敘述如下：
（一）小臂設(shè)計
設(shè)小臂L=40cm,D=60cm
則m=
則手臂總重，L=100mm
=0.79kg
俯仰缸的設(shè)計計算
圖3.6 仰俯缸的設(shè)計尺寸圖
設(shè)，，
當手臂處在仰角為的位置時，驅(qū)動力P通過連桿機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力矩為
因為，
又因為
=，=，
而P=
式中：P—油缸的工作壓力（）
D—油缸內(nèi)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
10590.3kg取=10600kg
106000.8=60356.601kg·cm
當手臂處在俯角為的位置時，驅(qū)動力P通過連桿機構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動力
因為：
所以
則
當手臂處在水平位置即為驅(qū)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
=
=1134kgf
選取=0.7，所以
D=0.053m
整理得到D=63mm，則d=45mm。
液壓缸壁和外徑計算
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
取t=3mm
液壓缸工作行程的確定
由
則S=16mm
則由表2-6中的系列尺寸查得（液壓系統(tǒng)設(shè)計手冊）
S=25cm則活塞桿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(shè)穩(wěn)定安全系數(shù)為，
由式
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，查資料得，優(yōu)化碳鋼的
由公式可得
可見活塞桿是小柔度變壓桿，由直線公式求出
而P=1134N，活塞桿的工作安全系數(shù)為n=
所以滿足要求。
三、油缸端蓋的連接方式及強度計算
為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距，進而決定螺釘?shù)臄?shù)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。
(一)缸蓋螺釘?shù)挠嬎?
為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距，進而決定螺釘?shù)臄?shù)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(yù)進力之和。
式中：
P—驅(qū)動力N
P—工作壓力N/
Z—螺釘數(shù)目，取8
—預(yù)緊力N
=K，K=1.5-1.8
螺釘?shù)膹姸葪l件為：
式中：=1.3——計算載荷（N）
表3-1 螺釘間距與壓力p的關(guān)系
工作壓力（）
螺釘間距（mm）
5—15
<150
15—25
<120
25—50
<100
50—100
<80
()抗拉許用應(yīng)力
，——螺紋內(nèi)徑（cm）
表3-2 常用螺釘材料的流動極限
鋼號
10
A2
A3
35
45
40cr
2100
2200
2400
3200
3600
6500-9000
(二)缸體螺紋計算
式中，，
D—油缸內(nèi)徑
—考慮螺紋拉應(yīng)力和扭應(yīng)力合成作用系數(shù)取=1.3
四、大臂回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計
驅(qū)動手臂回轉(zhuǎn)的力矩
式中：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”形圈在裝配時壓縮率，對于回轉(zhuǎn)運動，k=0.03-0.35
—摩擦系數(shù)
P—回轉(zhuǎn)軸缸的工作壓力（kg/）
選取=0.5，b=10cm,p=80kg/,設(shè)=6mm
若，則取
，取，則，D=14cm
選用O型橡膠密封圈S58型，=4.7mm
則
—動片側(cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力距
式中：—回轉(zhuǎn)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(zhuǎn)部件，對回轉(zhuǎn)軸的輕功慣量（）
若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為
則
式中：—回轉(zhuǎn)零件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量
=649.2（）
設(shè)角速度，啟動時間
—般取=0.2P=16（）
由內(nèi)徑公式
基本滿足要求，則D=16cm，d=8cm。又由
五、缸蓋連接螺釘和動片連接螺釘計算
螺釘?shù)膹姸葪l件為
或（取=8mm）
式中：—螺釘?shù)膬?nèi)徑（cm）
—計算載荷（kgf）
—螺釘材料作用拉應(yīng)力
第四節(jié) 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(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運動的驅(qū)動裝置或傳動件都安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機體的軀干與底座相連。因此，臂部的運動愈多，機身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)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(shè)計機身為地面軌道運動式。它的驅(qū)動系統(tǒng)是步進電機其型號為Y132S—8，功率2.2KW，轉(zhuǎn)速710r/min，在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。在后安裝一個制動箱。其主要參數(shù)是由外部計算機調(diào)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。
第四章 機械手液壓系統(tǒng)的設(shè)計
第一節(jié) 機械手液壓系統(tǒng)簡介
液壓系統(tǒng)設(shè)計是指組成一個新的能量傳遞系統(tǒng)，從而完成一項專門的任務(wù)，有傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之分，其設(shè)計與主機的設(shè)計密切聯(lián)系，不僅要滿足主機的拖動、循環(huán)要求，還必須符合結(jié)構(gòu)組成簡單、體積小、質(zhì)量輕、工作安全可靠、使用維護方便、經(jīng)濟性好等公認的設(shè)計原則。在實際的設(shè)計中我們應(yīng)兼顧效能和安全，確定最優(yōu)的設(shè)計方案。
自動上下料機械手的液壓系統(tǒng)是機械手各項動作循環(huán)的驅(qū)動源，她的傳動是以壓力油液作為工作介質(zhì)，電動機帶動油泵輸出壓力油，壓力油經(jīng)過管道及一些控制調(diào)節(jié)裝置等進入油缸，推動活塞桿運動，從而使手臂作俯仰、回轉(zhuǎn)等運動。
第二節(jié) 液壓系統(tǒng)的組成
液壓傳動系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：
一、動力元件。它供給液壓系統(tǒng)壓力油，將電動機輸出的機械能轉(zhuǎn)換為油液的壓力能，用這壓力油驅(qū)動整個液壓系統(tǒng)工作。
二、執(zhí)行元件。把液壓能轉(zhuǎn)換為機械能帶動工作機構(gòu)做功的裝置。它可以是做直線運動的液壓缸，也可以是做回轉(zhuǎn)運動的液壓馬達。本設(shè)計中手臂回轉(zhuǎn)的執(zhí)行元件是回轉(zhuǎn)液壓缸，手指加緊對 執(zhí)行元件是夾緊液壓缸。
三、控制元件。對液壓系統(tǒng)中油液壓力、流量、運動方向進行控制的裝置，主要是指各種閥體等，如單向閥、溢流閥、節(jié)流閥、調(diào)速閥、減壓閥、順序閥等，這些閥相互配合，各起一定作用，使機械手的手臂、手腕、手指等能夠完成所要求的運動。
第三節(jié) 機械手液壓系統(tǒng)的控制系統(tǒng)
自動上下料機械手的控制系統(tǒng)，根據(jù)工況和機械手自由度等因素，設(shè)計可繁可簡，繁簡回路大同小異，都是由一些基本控制回路組成，如壓力控制回路，速度控制回路，方向控制回路等，這些基本控制回路具有工作壓力的調(diào)整、油泵的卸荷、運動的換向、工作速度的調(diào)節(jié)以及同步運動等功能。
一、壓力控制回路
（一）調(diào)壓回路 在采用定量泵的液壓系統(tǒng)中，為控制系統(tǒng)的最大工作壓力，一般都在油泵的出口附近設(shè)置溢流閥，用它來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力，并將多余的油液溢流回油箱。
（二）卸荷回路 在機械手各油缸不工作時，液壓泵電機又不停止工作的情況下，為減少油泵的功率損耗，節(jié)省動力，降低系統(tǒng)的發(fā)熱，避免因液壓泵頻繁啟、停影響液壓泵的壽命使油泵在低負荷下工作，所以采用卸荷回路。本機械手采用二位二通電磁閥控制先導(dǎo)式溢流閥遙控口卸荷回路。
（三）減壓回路 為了是機械手的液壓系統(tǒng)局部壓力降低或穩(wěn)定，在要求減壓的支路前串聯(lián)一個減壓閥，以獲得比系統(tǒng)壓力更低的壓力。
（四）平衡與鎖緊回路 在機械手液壓系統(tǒng)中，為防止垂直機構(gòu)因自重而任意下降，可采用平衡回路支撐平衡回路運動部件的自動。為了使機械手手臂在移動過程中停止在任意位置上，并防止因外力作用而發(fā)生位移，可采用鎖緊回路，即將油缸的回油路關(guān)閉，使活塞停止運動并鎖緊。本機械手采用單向順序閥做平衡閥實現(xiàn)任意位置鎖緊的回路。
（五）油泵出口處接單向閥 在油泵出口處接單向閥。其作用有二：第一是保護油泵。液壓系統(tǒng)工作時，油泵向系統(tǒng)供應(yīng)高壓油液，以驅(qū)動油缸運動而做功。當一旦電機停止轉(zhuǎn)動，油泵不再向外供油，系統(tǒng)中原有的高壓油液具有一定能量，將迫使油泵反方向轉(zhuǎn)動，結(jié)果產(chǎn)生噪音，加速油泵的磨損。在油泵出油口處加設(shè)單向閥后，隔斷系統(tǒng)中高壓油液和油泵時間的聯(lián)系，從而起到保護油缸的作用。第二是防止空氣混入系統(tǒng)。在停機時，單向閥把系統(tǒng)能夠和油泵隔斷，防止系統(tǒng)的油液通過油泵流回油箱，避免空氣混入，以保證啟動時的平穩(wěn)性。
二、速度控制回路
液壓機械手各種運動速度的控制，主要是改變進入油缸的流量Q。其控制方法有兩類：一類是采用定量泵，即利用調(diào)節(jié)節(jié)流閥的通流截面來改變進入油缸或油馬達的流量；另一類是采用變量泵，改變油泵的供油量。本機械手采用定量油泵節(jié)流調(diào)速回路。
節(jié)流調(diào)速回路是通過改變回路中的流量控制元件（節(jié)流閥或調(diào)速閥）的通流截面積的大小來控制流入或流出執(zhí)行元件的流量，以調(diào)節(jié)其運動速度。有串聯(lián)節(jié)流調(diào)速和并聯(lián)節(jié)流調(diào)速兩種回路，串聯(lián)節(jié)流回路又包括進油節(jié)流和回油節(jié)流兩種。根據(jù)各油泵的運動速度要求，可分別采用LI型單向節(jié)流閥、LCI型單向節(jié)流閥或QI型單向調(diào)速閥等進行調(diào)節(jié)。
節(jié)流調(diào)速閥的優(yōu)點是：簡單可靠、調(diào)速范圍較大、價格便宜。其缺點是：有壓力和流量損耗，在低速負荷傳動時效率低，發(fā)熱大。
采用節(jié)流閥進行節(jié)流調(diào)速時，負荷的變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起油缸速度的變化，使速度穩(wěn)定性差。其原因是負荷變化會引起節(jié)流閥進出油口的壓差變化，因而使通過節(jié)流閥的流量以至油缸的速度變化。
調(diào)速閥能夠隨負荷的變化而自動調(diào)整和穩(wěn)定所通過的流量，使油缸的運動速度不受負荷變化的影響，對速度的平穩(wěn)性要求高的場合，宜用調(diào)速閥實現(xiàn)節(jié)流調(diào)速。
三、方向控制回路
方向控回路是用來控制液壓系統(tǒng)油路中液流的通、斷或流向，從而改變執(zhí)行原件的運動方向和工作狀態(tài)。在機械手液壓系統(tǒng)中，為控制各油缸、馬達的運動方向和接通或關(guān)閉油路，通常采用二位二通、二位三通、二位四通電磁閥和電液動滑閥，由電控系統(tǒng)發(fā)出電信號，控制電磁鐵操縱閥芯換向，使油缸及油馬達的油路換向，實現(xiàn)直線往復(fù)運動和正反向轉(zhuǎn)動。
目前在液壓系統(tǒng)中使用的電磁閥，按其電源的不同，可分為交流電磁閥（D型）和直流電磁閥（E型）兩種。交流電磁閥的使用電壓一般為220V（也有380V或36V），直流電磁閥的使用電壓一般為24V（或110V）。這里采用交流電磁閥。交流電磁閥起動性能好，換向時間短，接線簡單，價廉，但是如吸不上時容易燒壞，可靠性差，換向時有沖擊，允許換向頻率底，壽命較短。
第四節(jié) 機械手的液壓傳動系統(tǒng)
液壓系統(tǒng)圖從油路原理上具體體現(xiàn)了各項設(shè)計要求，是整個液壓系統(tǒng)設(shè)計中的重要一環(huán)。液壓系統(tǒng)圖是各種液壓元件為滿足機械手動作要求的有機聯(lián)系圖。在擬定過程中，要分析對比制定出各種合適的液壓回路方案，然后將這些回路組合成成完整的液壓系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)的擬定通常采用經(jīng)驗法。
繪制液壓系統(tǒng)圖的一般順序是：先確定油缸和油泵，再布置中間的控制調(diào)節(jié)回路和相應(yīng)元件，以及其他輔助裝置，從而組成整個液壓系統(tǒng)，并用液壓系統(tǒng)圖形符號，畫出液壓原理圖。
第五節(jié) 液壓缸計算
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