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寧XX學院
課程設(shè)計(論文)
搬運場合應(yīng)用的球類機械手設(shè)計【7KG】
所在學院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學 號
指導(dǎo)老師
摘 要
搬運場合應(yīng)用的各類機械手是工業(yè)機器人系統(tǒng)中傳統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行機構(gòu)，是機器人的關(guān)鍵部件之一。該裝置涵蓋了可編程控制技術(shù)，位置 控制技術(shù)、檢測技術(shù)等，是機電一體化的典型代表儀器之一。本文介紹的搬運場合應(yīng)用的各類機械手是由 PLC 輸出三路脈沖，分別驅(qū)動橫軸、豎軸變頻器，控制搬運場合應(yīng)用的各類機械手橫軸和豎軸的 精確定位，微動開關(guān)將位置信號傳給 PLC 主機；位置信號由接近開關(guān)反饋給 PLC 主機，通過交流電機的正反轉(zhuǎn)來控制搬運場合應(yīng)用的各類機械手手爪的張合，從而實現(xiàn)搬運場合應(yīng)用的各類機械手精確運 動的功能。本課題擬開發(fā)的物料搬運,搬運場合應(yīng)用的各類機械手可在空間抓放物體，動作靈活多樣， 可代替人工在高溫和危險的作業(yè)區(qū)進行作業(yè)，并可根據(jù)工件的變化及運動流程的 要求隨時更改相關(guān)參數(shù)。
關(guān)鍵詞：搬運場合應(yīng)用的各類機械手, 交流電機，
4
Abstract
Manipulator industrial robot systems traditional mandate, Robot is one of the key components. Manipulator using the mechanical structure of screw-ball, slider, and other mechanical devices composition; Electric have AC motor, inverter, sensor, and other electronic device components. The device covers a programmable control technology, position control technology, detection technology, Mechatronics is a typical representative of one of the machines. This paper presents a manipulator by three PLC output pulse, driving horizontal, the vertical axis transducer, control manipulator axis horizontal and vertical positioning precision,micro-switches position signal transmission will host PLC; location close to the switching signal from the feedback from the mainframe to the PLC, through the exchange of Motor reversion to control the manipulator gripper Zhang, thus achieving accurate manipulator movement functions. The topics to be developed by the Manipulator grasping be up in space objects, movements flexible, diverse, can replace the artificial heat and dangerous operation conducted operations, According to the workpiece can change the campaign process and the requirements of any changes to the relevant parameters.
Key Words: Manipulator, AC motor
目 錄
摘 要 2
Abstract 2
目 錄 3
1 緒 論 5
1.1 課題背景及目的 5
1.2 機器人的定義與發(fā)展狀況 5
1.2.1 定義 5
1.2.2 機器人的發(fā)展 6
1.3課題研究意義 6
2 搬運場合應(yīng)用的球類機械手總體方案設(shè)計 8
2.1搬運場合應(yīng)用的各類機械手 8
2.2系統(tǒng)功能原理分析 8
2.3形態(tài)學矩陣方案擬定 8
2.4設(shè)計方案分析 9
2.5機構(gòu)的運動尺寸設(shè)計 10
2.6搬運場合應(yīng)用的各類機械手的組成 11
2.7最佳功能原理方案確定 12
3 搬運場合應(yīng)用的各類機械手結(jié)構(gòu)方案和驅(qū)動方案選型 14
3.1原始數(shù)據(jù)及資料 14
3.2 動作要求分析 14
3.3搬運場合應(yīng)用的各類機械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)選型 15
4 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計 16
4.1抓取機構(gòu)設(shè)計 16
4.1.1手部設(shè)計計算 16
4.1.2拉緊裝置[4] 17
4.2腕部設(shè)計計算 18
4.3 臂伸縮機構(gòu)設(shè)計 20
4.4 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 22
4.5 手部抓取缸 23
4.6 腕部擺動液壓回路 24
4.7 總體系統(tǒng)圖 24
4.8 機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計 25
4.8.1 電機的選擇 26
4.8.2 減速器的選擇[10] 26
4.8.3螺柱的設(shè)計與校核[11] 27
4.8.4機座的機械結(jié)構(gòu) 28
4.9搬運場合應(yīng)用的各類機械手的定位及平穩(wěn)性確定 29
4.9.1常用的定位方式 29
4.9.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素 29
4.9.3搬運場合應(yīng)用的各類機械手運動的緩沖裝置 30
4.10 繪制液壓系統(tǒng)圖 31
總結(jié)與展望 32
參考文獻 33
致 謝 34
1 緒 論
1.1 課題背景及目的
課程設(shè)計是機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)在校學習的最后一個環(huán)節(jié)，是對四年大學學習的繼續(xù)深化和檢驗，即有實踐性又有綜合性，是其他單一課程所不能替代的，通過課程設(shè)計更能提高綜合訓(xùn)練能力，為即將走向工作崗位，提高實際工作能力起到十分重要的作用。以達到如下目的：
（1）綜合運用所學的基礎(chǔ)理論、基本知識和基本技能，提高分析解決實際問題的能力。
（2）接受工程師必須的綜合訓(xùn)練，提高實際工作能力。如調(diào)查研究、查閱文獻和收集資料并進行分析的能力；制訂設(shè)計或試驗方案的能力；設(shè)計、計算和繪圖能力；總結(jié)提高撰寫論文的能力。
（3）檢驗綜合素質(zhì)與實踐能力。
1.2 機器人的定義與發(fā)展狀況
1.2.1 定義
目前，工業(yè)機器人的定義，世界各國尚未統(tǒng)一，分類也不盡相同。最近聯(lián)合國國際標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給工業(yè)機器人下的定義：工業(yè)機器人是一種可重復(fù)編程的多功能操作裝置，可以通過改變動作程序，來完成各種工作，主要用于搬運材料，傳遞工件。參考國外的定義，結(jié)合我國的習慣用語，對工業(yè)機器人作如下定義：
工業(yè)機器人是一種機體獨立，動作自由度較多，程序可靈活變更，能任意定位，自動化程度高的自動操作機械。主要用于加工自動線和柔性制造系統(tǒng)中傳遞和裝卸工件或夾具[1]。
工業(yè)機器人以剛性高的手臂為主體，與人相比，可以有更快的運動速度，可以搬運更重的東西，而且定位精度相當高，它可以根據(jù)外部來的信號，自動進行各種操作。
工業(yè)機器人是在計算機控制下可編程的自動機器人是提高產(chǎn)品質(zhì)量與勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化，改善勞動條件，減輕勞動強度的一種有效手段。機器人的誕生和發(fā)展雖只有30多年的歷史，但它已應(yīng)用到國民經(jīng)濟，民事技術(shù)等眾多的領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景，顯示出強大的生命力[2]。
根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需求，工業(yè)機器人具有至少一項或多項擬人功能，如抓取功能或移動功能，或兩者兼有之，另外還可能程度不等的具有某些環(huán)境感知功能（如視覺，力覺，觸覺等）。以及語音功能及至邏輯思維，判斷決策功能等。從而使其能在要求的環(huán)境中代替人進行作業(yè)。
在工業(yè)機器人的諸多功能中，抓取和移動是最主要的功能。這兩項功能實現(xiàn)的技術(shù)基礎(chǔ)是精巧的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和良好的伺服控制驅(qū)動。本次設(shè)計就是在這一思維下展開的。根據(jù)設(shè)計內(nèi)容和需求確定圓柱坐標型工業(yè)機器人，利用錐齒輪傳動實現(xiàn)機器人的旋轉(zhuǎn)，利用液壓缸實現(xiàn)其移動以及對零件的抓取。在步進電機的控制下，機器達到精確的回轉(zhuǎn)運動。
1.2.2 機器人的發(fā)展
工業(yè)機器人的發(fā)展，由簡單到復(fù)雜，由初級到高級逐步完善，它的發(fā)展過程可分為三代：
第一代工業(yè)機器人就是目前工業(yè)中大量使用的示教再現(xiàn)型工業(yè)機器人，它主要由手部、臂部、驅(qū)動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。它的控制方式比較簡單，應(yīng)用在線編程，即通過示教存貯信息，工作時讀出這些信息，向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令，執(zhí)行機構(gòu)按指令再現(xiàn)示教的操作。
第二代機器人是帶感覺的機器人。它具有尋力覺、觸覺、視覺等進行反饋的能力。其控制方式較第一代工業(yè)機器人要復(fù)雜得多，這種機器人從1980年開始進入了實用階段，不久即將普及應(yīng)用。
第三代工業(yè)機器人即智能機器人。這種機器人除了具有觸覺、視覺等功能外，還能夠根據(jù)人給出的指令認識自身和周圍的環(huán)境，識別對象的有無及其狀態(tài)，再根據(jù)這一識別自動選擇程序進行操作，完成規(guī)定的任務(wù)。并且能跟蹤工作對象的變化，具有適應(yīng)工作環(huán)境的功能。這種機器人還處于研制階段，尚未大量投入工業(yè)應(yīng)用[2-4]。
1.3課題研究意義
(1)培養(yǎng)學生綜合分析和解決本專業(yè)的一般工程技術(shù)問題的獨立工作能力，拓寬和。
(2)培養(yǎng)學生樹立正確的設(shè)計思想，設(shè)計構(gòu)思和創(chuàng)新思維，掌握工程設(shè)計的一般程序規(guī)范和方法。
(3)培養(yǎng)學生樹立正確的設(shè)計思想和使用技術(shù)資料、國家標準等手冊、圖冊工具書進行設(shè)計計算，數(shù)據(jù)處理，編寫技術(shù)文件等方面的工作能力。
(4)培養(yǎng)學生進行調(diào)查研究，面向?qū)嶋H，面向生產(chǎn)，向工人和技術(shù)人員學習的基本工作態(tài)度，工作作風和工作方法。
34
2 搬運場合應(yīng)用的球類機械手總體方案設(shè)計
2.1搬運場合應(yīng)用的各類機械手
搬運場合應(yīng)用的各類機械手，顧名思義，是指能模仿人手的部分動作，用以完成某些抓放，搬運物件或操縱工具等工作的自動化機械裝置。搬運場合應(yīng)用的各類機械手通常用附屬于它所服務(wù)的設(shè)備，動作程序固定，多數(shù)沒有獨立的控制系統(tǒng)，其控制裝置包括在主機的控制系統(tǒng)（不包括工業(yè)機器人）。
2.2系統(tǒng)功能原理分析
總功能：搬運貨物
分功能3：舉升貨物
分功能2：夾放貨物
分功能1：進給機械手
進給傳動
進給執(zhí)行
動力源
夾放執(zhí)行
舉升執(zhí)行
舉升傳動
夾放傳動
動力源
動力源
功能元G
功能元A
功能元B
功能元C
功能元D
功能元E
功能元F
功能元H
功能元I
2.3形態(tài)學矩陣方案擬定
功能元候選機構(gòu)形態(tài)學矩陣表
候選機構(gòu)
功能元
1
2
3
4
A動力源
電動機
內(nèi)燃機
柴油機
液壓缸
B進給傳動
液壓傳動機構(gòu)
齒輪齒條機構(gòu)
凸輪機構(gòu)
蝸輪蝸桿機構(gòu)
C進給執(zhí)行
液壓傳動機構(gòu)
螺旋機構(gòu)
曲柄滑塊機構(gòu)
齒輪齒條機構(gòu)
D夾放傳動
齒輪齒條機構(gòu)
螺旋機構(gòu)
凸輪機構(gòu)
液壓傳動機構(gòu)
E夾放執(zhí)行
雙壓塊制動機構(gòu)
雙滑塊機構(gòu)
平行四邊形夾持機構(gòu)
杠桿式夾持機構(gòu)
F舉升傳動
蝸輪蝸桿機構(gòu)
齒輪機構(gòu)
雙搖桿機構(gòu)
液壓傳動機構(gòu)
G舉升執(zhí)行
曲柄搖桿機構(gòu)
平行四邊形機構(gòu)
雙曲柄機構(gòu)
線輪擺動機構(gòu)
2.4設(shè)計方案分析
方案Ⅰ：
方案Ⅱ：
B1
A4
D3
F3
C3
E3
G4
B1
A4
D4
F4
C3
E4
G4
方案Ⅲ：
B2
A4
D4
F4
C3
E4
G4
優(yōu)缺點
方案
優(yōu)點
缺點
方案Ⅰ
可靠性高，安全性好
壓力角大
方案Ⅱ
機構(gòu)簡單
傳動性差
方案Ⅲ
安全性高
可操作性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜
性能
方案
可靠性
安全性
結(jié)構(gòu)工藝性
經(jīng)濟性
可操作性
環(huán)保性
結(jié)論
方案Ⅰ
+++
++
+++
+++
++
+++
方案Ⅰ最優(yōu)
方案Ⅱ
++
++
++
++
+
+++
方案Ⅲ
+++
++
++
++
+
+++
2.5機構(gòu)的運動尺寸設(shè)計
1系統(tǒng)工作循環(huán)圖
搬運機械手的三個部分為進給機構(gòu)、夾放機構(gòu)和舉升機構(gòu)，其工作循環(huán)圖如圖4-1和4-2所示。
進給機構(gòu)
前進
靜止
前進
靜止
退回
靜止
退回
夾放機構(gòu)
保持
夾緊
保持
松開
保持
舉升機構(gòu)
保持
舉升
保持
降回
保持
圖4-1
運動時間/s
0
15
60
30
45
圖4-2a
圖4-2b
圖4-2c
2.6搬運場合應(yīng)用的各類機械手的組成
執(zhí)行系統(tǒng)一般包括手部、腕部、臂部、機身機座等，其中最主要是運動系統(tǒng)。
搬運場合應(yīng)用的各類機械手主要由執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)三部分組成。
手部是夾緊（或吸附、托持）與松開工件或工具 的部件，由手指（或吸盤），驅(qū)動元件和傳動元件等組成。
腕部、臂部、機身是將手部抓取的工件或工具進行搬運或操作的部件。
驅(qū)動系統(tǒng)是驅(qū)動臂部、腕部、手部和搬運場合應(yīng)用的各類機械手整體運動機構(gòu)動作的動力裝置，常用的驅(qū)動方式有液壓、液動、機械、電液或其他的組合。
控制系統(tǒng)是支配搬運場合應(yīng)用的各類機械手按規(guī)定程序和要求進行運動的裝置，他們主要用來控制：位置（點位控制或連續(xù)軌跡控制）、
時間、速度和加速度等參數(shù)。
搬運場合應(yīng)用的各類機械手與主機及其它有關(guān)裝置之間的聯(lián)系[3]。
2.7最佳功能原理方案確定
按搬運場合應(yīng)用的各類機械手布局形式分可分為：架空式搬運場合應(yīng)用的各類機械手、附機式搬運場合應(yīng)用的各類機械手、落地式搬運場合應(yīng)用的各類機械手三種。此外，還有安裝在自動線料道上或料道旁，實現(xiàn)工件上、下料、傳遞轉(zhuǎn)位、轉(zhuǎn)向等用途的搬運場合應(yīng)用的各類機械手，他們具有運動單一、結(jié)構(gòu)簡單，位置靈活及精度一般要求較低的特點。
搬運場合應(yīng)用的各類機械手通常用作機床或其他機器的附加裝置，如在自動機床或自動生產(chǎn)線上裝卸和傳遞工件，在加工中心中更換刀具等，一般沒有獨立的控制裝置[3]。
(1)根據(jù)所承擔的作業(yè)的特點，工業(yè)搬運場合應(yīng)用的各類機械手可分為以下三類：
(a)承擔搬運工作的搬運場合應(yīng)用的各類機械手：這種搬運場合應(yīng)用的各類機械手在主要工藝設(shè)備運行時，用來完成輔助作業(yè)，如裝卸毛坯、工件和工夾具。
(b)生產(chǎn)工業(yè)用搬運場合應(yīng)用的各類機械手：可用于完成工藝過程中的主要作業(yè)，如裝配、焊接、涂漆、彎曲、切斷等。
(c)通用工業(yè)搬運場合應(yīng)用的各類機械手：其用途廣泛，可以完成各種工藝作業(yè)[9]。
(2)按功能分類:
(a)專用搬運場合應(yīng)用的各類機械手：它是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。專用搬運場合應(yīng)用的各類機械手具有動作少，工作對象單一，結(jié)構(gòu)簡單，實用可靠和造價低等特點，適用于大批大量的自動化生產(chǎn)，如自動機床，自動線的上、下料搬運場合應(yīng)用的各類機械手和“加工中心”附屬的自動換刀搬運場合應(yīng)用的各類機械手。
(b)通用搬運場合應(yīng)用的各類機械手：又稱工業(yè)機器人。它是一種具有獨立控制系統(tǒng)的機械裝置。具有程序可變、工作范圍大、定位精度高、通用性強的特點，適用于不斷變換品種的中小批量自動化的生產(chǎn)。
(c)示教再現(xiàn)搬運場合應(yīng)用的各類機械手：采用示教法編程的通用搬運場合應(yīng)用的各類機械手。所謂示教，即由人通過手動控制，“拎著”搬運場合應(yīng)用的各類機械手做一遍操作示范，完成全部動作后，其儲存裝置即能記憶下來。搬運場合應(yīng)用的各類機械手手可按示范操作的程序行程進行重復(fù)的再現(xiàn)工作。
(3)按驅(qū)動方式分：
(a)液力驅(qū)動式的機器人：液源壓力一般只有0.6Mpa左右，適宜抓舉力較小的場合。
(b)液力驅(qū)動式的機器人：結(jié)構(gòu)緊湊，傳動平穩(wěn)且動作靈敏，但對密封的要求較高，且不宜在高溫或低溫的場合工作，要求的制造精度較高，成本較高。
(c)電力驅(qū)動式的機器人：無環(huán)境污染，易于控制，運動精度高，成本低，驅(qū)動效率高等優(yōu)點，其運用最為廣泛。
(d)新型驅(qū)動式的機器人：例如靜電驅(qū)動器，壓電驅(qū)動器，形狀記憶合金驅(qū)動器，人工肌肉及光驅(qū)動器等
(4)按控制方式分:
(a)固定程序搬運場合應(yīng)用的各類機械手：控制系統(tǒng)是一個固定程序的控制器。程序簡單，程序數(shù)少，而且是固定的，行程可調(diào)但不能任意點定位。
(b)可編程序搬運場合應(yīng)用的各類機械手：控制系統(tǒng)是一個可變程序控制器。其程序可按需要編排，行程能很方便改變[9]。
3 搬運場合應(yīng)用的各類機械手結(jié)構(gòu)方案和驅(qū)動方案選型
3.1原始數(shù)據(jù)及資料
設(shè)計題目：機械手
技術(shù)指標：自由度: 4
抓舉重量： 7kg
動力源： 液壓
對 象： 球類
種 類：搬運場合應(yīng)用的各類機械手
3.2 動作要求分析
動作一：送 料
動作二：預(yù)夾緊
動作三：手臂上升
動作四：手臂旋轉(zhuǎn)
動作五：小臂伸長
動作六：手腕旋轉(zhuǎn)
預(yù)夾緊
手臂上升
手臂旋轉(zhuǎn)
手臂伸長
手臂轉(zhuǎn)回 手腕旋轉(zhuǎn)
圖2.2 搬運場合應(yīng)用的各類機械手動作簡易圖
3.3搬運場合應(yīng)用的各類機械手結(jié)構(gòu)及驅(qū)動系統(tǒng)選型
本課題所設(shè)計的搬運場合應(yīng)用的各類機械手為通用型的搬運場合應(yīng)用的各類機械手，其中坐標系為圓柱坐標系結(jié)構(gòu)。由于本課題的工件是圓柱狀棒料，所以采用夾持式手部設(shè)計方案。手部部分由手指和傳力機構(gòu)所構(gòu)成，手指與工件接觸而傳力機構(gòu)則通過手指夾緊力來完成夾放工件的任務(wù)。其他部分則按照一般工業(yè)生產(chǎn)所采用的通用形式進行設(shè)計。
驅(qū)動系統(tǒng)選用電機驅(qū)動和液壓驅(qū)動，電機驅(qū)動用于機座的旋轉(zhuǎn)和手臂的上下移動，液壓驅(qū)動用于手臂的伸縮和搬運場合應(yīng)用的各類機械手的夾取和翻轉(zhuǎn)[3]。
4 系統(tǒng)各主要組成部分設(shè)計
4.1抓取機構(gòu)設(shè)計
4.1.1手部設(shè)計計算
a．有適當?shù)膴A緊力
手部在工作時，應(yīng)具有適當?shù)膴A緊力，以保證夾持穩(wěn)定可靠，變形小，且不損壞工件的已加工表面。對于剛性很差的工件夾緊力大小應(yīng)該設(shè)計得可以調(diào)節(jié)，對于笨重的工件應(yīng)考慮采用自鎖安全裝置。
b．有足夠的開閉范圍
夾持類手部的手指都有張開和閉合裝置。工作時，一個手指開閉位置以最大變化量稱為開閉范圍。對于回轉(zhuǎn)型手部手指開閉范圍，可用開閉角和手指夾緊端長度表示。手指開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如工件的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸，一般來說，如工作環(huán)境許可，開閉范圍大一些較好，如圖4.1所示。
圖4.1 搬運場合應(yīng)用的各類機械手開閉示例簡圖
c．力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小
手部處于腕部的最前端，工作時運動狀態(tài)多變，其結(jié)構(gòu)，重量和體積直接影響整個搬運場合應(yīng)用的各類機械手的結(jié)構(gòu)，抓重，定位精度，運動速度等性能。因此，在設(shè)計手部時，必須力求結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，體積小。
d．手指應(yīng)有一定的強度和剛度
因此送料，夾緊搬運場合應(yīng)用的各類機械手，根據(jù)工件的形狀，采用最常用的外卡式兩指鉗爪，夾緊方式用常閉式彈簧夾緊，松開時，用單作用式液壓缸。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。
4.1.2拉緊裝置[4]
液缸右腔停止進液時，彈簧力夾緊工件，液缸右腔進液時松開工件。
(a)右腔推力為
（4.1）
=4908.7N
(b)根據(jù)鉗爪夾持的方位，查出當量夾緊力計算公式為：
（4.3）
其中 N′=798N=686N，（抓舉重量： 7kg）帶入公式4.2得：
=
=1764N
則實際加緊力為 （4.3）
經(jīng)圓整F1=3500N
由公式得：
a=50.5 mm
b=72 mm
(c)計算手部活塞桿行程長L,即
（4.4）
=25×tg30o
=23.1mm
經(jīng)圓整取l=25mm
(d)確定“V”型鉗爪的L、β[3]。
取 （4.5）
式中： （4.6）
由公式（4.5）（4.6）得：L=3Rcp=150
取“V”型鉗口的夾角2α=120o，則偏轉(zhuǎn)角β按最佳偏轉(zhuǎn)角來確定，
查表得：
β=22o39′
(5)機械運動范圍（速度）
(6)手部右腔流量
（4.7）
=60
=60×3.14×252
=1177.5mm3/s
(7)手部工作壓強
（4.8）
=
4.2腕部設(shè)計計算
腕部是聯(lián)結(jié)手部和臂部的部件，腕部運動主要用來改變被夾物體的方位，它動作靈活，轉(zhuǎn)動慣性小。本課題腕部具有回轉(zhuǎn)這一個自由度，可采用具有一個活動度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。
要求：
0°~210°，<90°/s
以最大負荷計算：
當工件處于水平位置時，擺動缸的工件扭矩最大，采用估算法，工件重50N如圖4.4所示。
工件
圖4.4 腕部受力簡圖
(1)計算扭矩[4]
設(shè)重力集中于離手指中心200mm處，即扭矩為：
（4.9）
=10×9.8×0.2=19.6（N·M）
(2)液缸（伸縮）及其配件的估算扭矩 [4]
F =5kg ( 50N ) S =10cm
帶入公式2.9得
=5×9.8×0.1 =4.9（N·M）
(3)擺動缸的摩擦力矩[4]
=300（N）（估算值）
S=20mm （估算值）
=×S =6（N·M）
(4)擺動缸的總摩擦力矩 [4]
=++ （4.10）
=30.5（N·M）
(5)由公式
（4.11）
其中： b—葉片密度，這里取b=3cm；
—擺動缸內(nèi)徑, 這里取=10cm；
—轉(zhuǎn)軸直徑, 這里取=3cm。
所以代入（4.11）公式
=8×30.5/0.03×（0.12-0.032）×106
=0.89Mpa
又因為
所以
=
=0.27×10-4m3/s
=27ml/s
4.3 臂伸縮機構(gòu)設(shè)計
手臂是搬運場合應(yīng)用的各類機械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支撐腕部和手部，并帶動它們在空間運動。
臂部運動的目的，一般是把手部送達空間運動范圍內(nèi)的任意點上，從臂部的受力情況看，它在工作中即直接承受著腕部、手部和工件的動、靜載荷，而且自身運動又較多，故受力較復(fù)雜。
搬運場合應(yīng)用的各類機械手的精度最終集中在反映在手部的位置精度上。所以在選擇合適的導(dǎo)向裝置和定位方式就顯得尤其重要了[5]。
(1)手臂右腔流量，公式（4.7）得：
=200×π×402
=1004800mm3/s
=0.1/102m3/s
=1000ml/s
(2)手臂右腔工作壓力，公式（4.8） 得：
（4.12）
式中：F ——取工件重和手臂活動部件總重，工件為50N估算 F =5+20=30kg，=1000N。
所以代入公式（3.12）得：
=
=0.26Mpa
(3)繪制機構(gòu)工作參數(shù)表如表4.1所示：
機構(gòu)名稱
工作速度
行程
工作壓力
流量
手部抓緊
腕部回轉(zhuǎn)
小臂伸縮
60mm/s
<90°/s
200mm/s
25mm
±90°
500mm
1.78 Mpa
0.89 Mpa
0.26Mpa
117.8m/s
27m/s
1000ml/s
表4.1 機構(gòu)工作參數(shù)表
(4)由初步計算選液泵
所需液壓最高壓力
P =1.78Mpa
所需液壓最大流量
Q =1000ml/s
選取CB-D型液泵
此泵工作壓力為1Mpa，轉(zhuǎn)速為1800r/min，工作流量Q在32—70ml/r之間，可以滿足需要。
(5)驗算腕部擺動缸：
（4.13）
（4.14）
式中：—機械效率?。? 0.85～0.9
—容積效率取： 0.7～0.95
所以代入公式（4.13）得：
=25.8（N·M）
T < M=30.5（N·M）
代入公式（4.14）得：
=0.673rad/s
W <π/4≈0.785rad/s
因此，取腕部回轉(zhuǎn)液缸工作壓力 P =1Mpa
流量 Q =35ml/s
圓整其他缸的數(shù)值：
手部抓取缸工作壓力=2Mpa
流量=120ml/s
小臂伸縮缸工作壓力=0.25Mpa
流量=1000ml/s
4.4 液壓驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
液壓控制室搬運場合應(yīng)用的各類機械手的一種主要的控制形式。搬運場合應(yīng)用的各類機械手的運動速度和操作室根據(jù)液體的流量與壓力來確定，因而只要控制液的流量和壓力，就可以控制搬運場合應(yīng)用的各類機械手的運動速度和操作力，液壓壓力一般在5—140公斤/厘米范圍內(nèi)，最大臂力可達160公斤以上。
主要優(yōu)點：
(1)液壓執(zhí)行元件(馬達和液缸)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，功率小。
(2)可通過空液帶走大量熱能，保證機械的正常運行。
(3)液壓元件有直線位移式和旋轉(zhuǎn)式二種，適用范圍較廣，其控制速度的區(qū)間也比較寬。只要通過閥和泵的調(diào)節(jié)就能實現(xiàn)開環(huán)和閉環(huán)的控制系統(tǒng)。
(4)響應(yīng)速度比較快，能高速啟動，制動和反向，無后滯現(xiàn)象。其力矩一慣量比也較大，因而其加速度能力較強。
(5)液壓元件于其他驅(qū)動元件相比，剛度較大，位置誤差小，定位精度高，而且耐振動等。
缺點:控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，處理功率訊號的數(shù)學運算誤差，檢測，放大，測試和補償功能不如電子，機電裝置靈活簡便[4-6]。
4.5 手部抓取缸
圖 4.5 手部抓取缸液壓原理圖
(1)手部抓取缸液壓原理圖如圖4.5所示
(2)泵的供液壓力P取1Mpa，流量Q取系統(tǒng)所需最大流量即Q =1300ml/s。
因此，需裝圖4.1中所示的調(diào)速閥，流量定為7.2L/min，工作壓力P=2Mpa。
選取采用：
2FRM5-20/102調(diào)速閥
23E1-10B二位三通閥
4.6 腕部擺動液壓回路
圖 4.6 腕部擺動液壓回路
(1)腕部擺動缸液壓原理圖如圖4.6所示
(2)工作壓力: P=1Mpa
流量: Q=35ml/s
選取采用:
2FRM5-20/102調(diào)速閥
34E1-10B 換向閥
4.7 總體系統(tǒng)圖
(1)工作過程:
小臂伸長→手部抓緊→腕部回轉(zhuǎn)→小臂回轉(zhuǎn)→小臂收縮→手部放松
(2)電磁鐵動作順序表:
表4.2總體系統(tǒng)圖
元件
動作
1DT
2DT
3DT
4DT
5DT
小臂伸長
手部抓緊
腕部回轉(zhuǎn)
小臂收縮
手部放松
卸荷
-
-
-
-
-
+
+
+
+
-
-
±
+
-
-
-
+
±
-
-
+
-
-
±
-
-
-
-
-
±
(4)確電機規(guī)格：
液壓泵選取CB-D型液泵，額定壓力P =1Mpa，工作流量在32～70ml/r之間。選取80L/min為額定流量的泵，
因此：傳動功率 （4.15）
式中：η=0.8 （經(jīng)驗值）
所以代入公式（4.15）得：
=16.7KN
選取電動機JQZ-61-2型電動機，額定功率17KW，
轉(zhuǎn)速為2940r/min。
4.8 機身結(jié)構(gòu)的設(shè)計
臂部和機身的配置形式基本上反映了搬運場合應(yīng)用的各類機械手的總體布局。本課題搬運場合應(yīng)用的各類機械手的機身設(shè)計成機座式，這樣搬運場合應(yīng)用的各類機械手可以是獨立的，自成系統(tǒng)的完整裝置，便于隨意安放和搬動，也可具有行走機構(gòu)。臂部配置于機座立柱中間，多見于回轉(zhuǎn)型搬運場合應(yīng)用的各類機械手。臂部可沿機座立柱作升降運動，獲得較大的升降行程。升降過程由電動機帶動螺柱旋轉(zhuǎn)。由螺柱配合導(dǎo)致了手臂的上下運動。手臂的回轉(zhuǎn)由電動機帶動減速器軸上的齒輪旋轉(zhuǎn)帶動了機身的旋轉(zhuǎn)，從而達到了自由度的要求[7-9]。
4.8.1 電機的選擇
機身部使用了兩個電機，其一是帶動臂部的升降運動；其二是帶動機身的回轉(zhuǎn)運動。帶動臂部升降運動的電機安裝在肋板上，帶動機身回轉(zhuǎn)的電機安裝在混凝土地基上。
帶動臂部升降的電機：
初選上升速度 V =100mm/s
P =6KW
所以轉(zhuǎn)/分
選擇Y90S-4型電機，屬于籠型異步電動機。采用B級絕緣，外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表4.3 Y90S-4電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表4.3 Y90S-4電動機技術(shù)數(shù)據(jù)
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉(zhuǎn)電流
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
電流A
轉(zhuǎn)速r/min
效率%
功率因素
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
Y90S-4
1.1
2.7
1400
79
0.78
6.5
2.2
2.2
4.8.2 減速器的選擇[10]
減速器的原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置。用來降低轉(zhuǎn)速和增
轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要。
初選WD80型圓柱蝸桿減速器。
WD為蝸桿下置式一級傳動的阿基米德圓柱蝸桿減速器。
蝸桿的材料為38siMnMo調(diào)質(zhì)
蝸輪的材料為ZQA19-4
中心矩 a=80
Ms×q=4.0×11 （4.16）
傳動比I =30
傳動慣量0.265×10ˉ3kg·m2
4.8.3螺柱的設(shè)計與校核[11]
螺桿是搬運場合應(yīng)用的各類機械手的主支承件，并傳動使手臂上下運動。
螺桿的材料選擇：
從經(jīng)濟角度來講并能滿足要求的材料為鑄鐵。
螺距 P =6mm 梯形螺紋
螺紋的工作高度 h =0.5P （4.17）
=3mm
螺紋牙底寬度 b =0.65P=0.65×6=3.9mm （4.18）
螺桿強度〖11〗 （4.19）
=30～50Mpa
螺紋牙剪切 =40
彎曲=45～55
(1)當量應(yīng)力
(4.20)
式中 T——傳遞轉(zhuǎn)矩N·mm
[σ]——螺桿材料的許用應(yīng)力
所以代入公式（4.20）得：
6225025d12+11236≤900d16×1012
6225025×0.0292+11236≤900×0.0296×1012
即16471pa＜535340pa
合格
(2)剪切強度
（旋合圈數(shù)） （4.21）
（4.22）
=206.8×103pa
=0.206Mpa＜[τ]=40Mpa
(3)彎曲強度
=0.48Mpa＜[σ]=45Mpa
合格
4.8.4機座的機械結(jié)構(gòu)
帶動機身回轉(zhuǎn)的電機：
初選轉(zhuǎn)速 W =60o/s
N =1/6轉(zhuǎn)/秒
=10轉(zhuǎn)/分
由于齒輪 I =3
減速器 I =30
所以 n =10×3×30=900轉(zhuǎn)/分
選擇 Y90L-6型籠型異步電動機
電動機采用B級絕緣。外殼防護等級為IP44，冷卻方式為I（014）即全封閉自扇冷卻，額定電壓為380V，額定功率為50HZ。
如表4.4 Y90S-6電動機技術(shù)數(shù)據(jù)所示：
表4.4 Y90L-6電動機技術(shù)
型號
額定功率KW
滿載時
堵轉(zhuǎn)電流
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩
電流
A
轉(zhuǎn)速
r/min
效率
%
功率因素
額定電流
額定轉(zhuǎn)矩
額定轉(zhuǎn)矩
Y9OL-6
1.1
3.2
910
73.5
0.72
6.0
2.0
2.0
4.9搬運場合應(yīng)用的各類機械手的定位及平穩(wěn)性確定
4.9.1常用的定位方式
機械擋塊定位是在行程終點設(shè)置機械擋塊。當搬運場合應(yīng)用的各類機械手經(jīng)減速運行到終點時，緊靠擋塊而定位。
若定位前已減速，定位時驅(qū)動壓力未撤除，在這種情況下，機械擋塊定位能達到較高的重復(fù)精度。一般可高于±0.5mm，若定位時關(guān)閉驅(qū)動油路而去掉工作壓力，這時搬運場合應(yīng)用的各類機械手可能被擋塊碰回一個微小距離，因而定位精度變低[12]。
4.9.2影響平穩(wěn)性和定位精度的因素
搬運場合應(yīng)用的各類機械手能否準確地工作，實際上是一個三維空間的定位問題，是若干線量和角量定位的組合。在許多較簡單情況下，單個量值可能是主要的。影響單個線量或角量定位誤差的因素如下：
(1)定位方式
不同的定位方式影響因素不同。如機械擋塊定位時，定位精度與擋塊的剛度和碰接擋塊時的速度等因素有關(guān)。
(2)定位速度
定位速度對定位精度影響很大。這是因為定位速度不同時，必須耗散的運動部件的能量不同。通常，為減小定位誤差應(yīng)合理控制定位速度，如提高緩沖裝置的緩沖性能和緩沖效率，控制驅(qū)動系統(tǒng)使運動部件適時減速。
(3)精度
搬運場合應(yīng)用的各類機械手的制造精度和安裝調(diào)速精度對定位精度有直接影響。
(4)剛度
搬運場合應(yīng)用的各類機械手本身的結(jié)構(gòu)剛度和接觸剛度低時，因易產(chǎn)生振動，定位精度一般較低。
(5)運動件的重量
運動件的重量包括搬運場合應(yīng)用的各類機械手本身的重量和被抓物的重量。
運動件重量的變化對定位精度影響較大。通常，運動件重量增加時，定位精度降低。因此，設(shè)計時不僅要減小運動部件本身的重量，而且要考慮工作時抓重變化的影響。
(6)驅(qū)動源
液壓的壓力波動及電壓、液溫的波動都會影響搬運場合應(yīng)用的各類機械手的重復(fù)定位精度。因此，采用必要的穩(wěn)壓及調(diào)節(jié)液壓措施。
(7)控制系統(tǒng)
開關(guān)控制、電液比例控制和伺服控制的位置控制精度是個不相同的。這不僅是因為各種控制元件的精度和靈敏度不同，而且也與位置反饋裝置的有無有關(guān)[13]。
本課題所采用的定位精度為機械擋塊定位。
4.9.3搬運場合應(yīng)用的各類機械手運動的緩沖裝置
緩沖裝置分為內(nèi)緩沖和外緩沖兩種形式。內(nèi)緩沖形式有油缸端部緩沖裝置和緩沖回路等。外緩沖形式有彈性機械元件和液壓緩沖器。內(nèi)緩沖的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，緊湊。但有時安置位置有限；外緩沖的優(yōu)點是安置位置靈活，簡便，緩沖性能好調(diào)等，但結(jié)構(gòu)較龐大。
本課題所采用的緩沖裝置為油缸端部緩沖裝置。
當活塞運動到距油缸端蓋某一距離時能在活塞與端蓋之間形成一個緩沖室。利用節(jié)流的原理使緩沖室產(chǎn)生臨時背壓阻力，以使運動減速直至停止，而避免硬性沖擊的裝置，稱為油缸端部緩沖裝置[12-15]。
在緩沖行程中，節(jié)流口恒定的，稱為恒節(jié)流式油缸端部緩沖裝置。
設(shè)計油缸端部恒節(jié)流緩沖裝置時，（最大加速度）、（緩沖腔最大沖擊壓力）和（殘余速度）三個參數(shù)是受工作條件限制的。通常采用的辦法是先選定其中一個參數(shù)，然后校驗其余兩個參數(shù)。步驟如下：
(1)選擇最大加速度
通常，amax值按搬運場合應(yīng)用的各類機械手類型和結(jié)構(gòu)特點選取，同時要考慮速度與載荷大小。對于重載低速搬運場合應(yīng)用的各類機械手，- 取5m/s2以下，對于輕載高速搬運場合應(yīng)用的各類機械手，-取5～10 m/s2
(2)計算沿運動方向作用在活塞上的外力F
水平運動時：
（4.23）
=0.25×103×π×3.62-7
=138N
(3)計算殘余速度Vr
（4.24）
m/s
4.10 繪制液壓系統(tǒng)圖
本機械手的液壓系統(tǒng)圖見CAD圖紙所示
它擁有垂直手臂的上升、下降，水平伸縮缸/的前伸、后縮，以及執(zhí)行手爪的夾緊、張開三個執(zhí)行機構(gòu)。
其中，泵由三相交流異步電動機M拖動；系統(tǒng)壓力由溢流閥V1調(diào)定；1DT的得失電決定了動力源的投入與摘除。
考慮到手爪的工作要求輕緩抓取、迅速松開，系統(tǒng)采用了節(jié)流效果不等的兩個單向節(jié)流閥。當5DT得電時，工作液體經(jīng)由節(jié)流閥V5進入柱塞缸，實現(xiàn)手爪的輕緩抓緊；當6DT失電時，工作液體進入柱塞缸中，實現(xiàn)手爪迅速松開。
另外，由于機械手俯仰升降缸在工作時其下降方向與負荷重力作用方向一致，下降時有使運動速度加快的趨勢，為使運動過程的平穩(wěn)，同時盡量減小沖擊、振動，保證系統(tǒng)的安全性.
總結(jié)與展望
一、總結(jié)
課程設(shè)計轉(zhuǎn)眼間就到了掃尾階段，在這幾個月的設(shè)計學習過程中，我取得了長足的進步。
在這次課程設(shè)計中，我有很多收獲，首先把我?guī)啄陙硭鶎W的知識做了一次系統(tǒng)的復(fù)習，更深一步了解了所學的知識，培養(yǎng)了我綜合運用所學知識，獨立分析問題和解決問題的能力，也使我學會怎樣更好的利用圖書館，網(wǎng)絡(luò)查找資料和運用資料，還使我學會如何與同學共同討論問題。這對我以后的工作有很大的幫助,今后我會在工作中不斷的學習,努力的提高自己的水平。經(jīng)過本次設(shè)計，我切實體會到作為一個優(yōu)秀的設(shè)計人員的艱難性。在設(shè)計過程中，我經(jīng)常遇到各種各樣的問題，有的是知識方面的不足導(dǎo)致的，有的是設(shè)計經(jīng)驗方面不足導(dǎo)致的。這些問題有時使得我束手無措，不過在指導(dǎo)老師幫助和自己的努力下，終于使得我順利完成了設(shè)計。
雖然我的設(shè)計存在很多不足的地方，總的來說，我希望通過這次課程設(shè)計對自己未來將從事的工作進行一次適應(yīng)性的訓(xùn)練，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力，為將來工作打下良好的基礎(chǔ)課程設(shè)計是對未來工作的一種模擬。
參考文獻
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致 謝
本論文是在導(dǎo)師的悉心指導(dǎo)下完成的，我的課程設(shè)計的課題是搬運場合應(yīng)用的各類機械手的設(shè)計，這是一個我以前所沒有接觸的。我對它來說完全是一個陌生者，經(jīng)過指導(dǎo)老師的幫助和對參考資料的拜讀，我已經(jīng)對搬運場合應(yīng)用的各類機械手有了一定的了解。感謝老師對我的指導(dǎo)，使我課程設(shè)計順利完成。真誠感謝戴老師對我的課程設(shè)計的指導(dǎo)，以及感謝學院為我們提供的便利條件，使我們的課程設(shè)計如期完成。