平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),平動(dòng),搬運(yùn),機(jī)械手,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 題目：平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 　　　　　　　　　　　 平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 摘 要 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)越來越受到廣泛關(guān)注，在工業(yè)生產(chǎn)日益現(xiàn)代化的今天，機(jī)器人的使用變得越來越普及。因此，對(duì)于機(jī)器人技術(shù)的研究也變得越來越迫切，尤其是工業(yè)機(jī)器人方面。本論文作者針對(duì)這一領(lǐng)域，設(shè)計(jì)了一款液壓機(jī)械機(jī)械手，該機(jī)器人擁有五個(gè)自由度。首先，作者針對(duì)該機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇了一個(gè)最優(yōu)方案，對(duì)關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)并進(jìn)行校核。 本課題是一個(gè)機(jī)械、液壓緊密的實(shí)用性項(xiàng)目，文中對(duì)機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。最后，總結(jié)了全文，指出了機(jī)械手的改進(jìn)措施、應(yīng)用前景和發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手；液壓系統(tǒng)；五個(gè)自由度 I Structure Design Of?Parallel?Manipulator Abstract With the development of modern science and technology, the robot technology has been paid more and more attention, in an increasingly modernized industrial production, the use of robots is becoming more and more popular. Therefore, the research of robot technology becomes more and more urgent, especially industrial robots. The author of this thesis in this field, design of a hydraulic mechanical manipulator, the robot has five degrees of freedom. First of all, the author according to the requirement of the design of this robot, an optimal scheme of the structure design of the selection, the design of key parts and checked. This topic is a mechanical, hydraulic close practical project, design of mechanical design, mechanical structure of the hydraulic system of the mobile phone in. Finally, summarized the full text, points out the improvement measures, manipulator application prospect and development direction. Keywords: manipulator; hydraulic system; five degrees of freedom IV 目 錄 1 緒論 1 1.1 選題背景及其意義 1 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1 1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 1 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 2 1.2.3發(fā)展趨勢(shì) 3 1.3 本設(shè)計(jì)主要研究的內(nèi)容 3 1.3.1機(jī)械設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)部分 3 1.3.2機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式 4 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 5 2.1 機(jī)械手的組成 5 2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 5 2.2.1 設(shè)計(jì)要求 5 2.2.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù) 5 2.2.3 總體方案擬定 7 3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì) 9 3.1 末端操作器的設(shè)計(jì) 9 3.2 手腕的設(shè)計(jì) 9 3.3 手臂的設(shè)計(jì) 9 3.4 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì) 10 4 機(jī)械手各部件的載荷計(jì)算 12 4.1 設(shè)計(jì)要求分析 12 4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 12 4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 13 4.4 手臂俯仰機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 14 4.5 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 14 4.6 初選系統(tǒng)工作壓力 15 5 機(jī)械手各部件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及校核 17 5.1 手腕油缸尺寸的設(shè)計(jì)校核 17 5.2 手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)校核 20 5.3 手臂俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)校核 20 5.4 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 20 5.5 強(qiáng)度校核 20 5.6 彎曲穩(wěn)定性校核 21 6 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 6.1 基本回路的選擇 23 6.2 液壓元件的選擇與校核 23 6.2.1 液壓泵的選擇 23 6.2.2 液壓泵所需電機(jī)功率的確定 25 6.2.3 液壓閥的選擇 25 6.2.4 液壓輔助元件的選擇原則 26 6.2.5 油箱容量的確定 27 6.2.6 液壓原理圖 28 7 結(jié)論 30 參考文獻(xiàn) 31 致 謝 32 1 緒論 1.1 選題背景及其意義 隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)現(xiàn)場的很多易燃、易爆等高危及重體力勞動(dòng)場合必將由機(jī)器人所代替。這一方面可以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面可以大大提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。 通過本課題，讓學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中綜合大學(xué)所學(xué)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)和技能去分析和解決一般工程技術(shù)問題的能力；進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生分析問題、創(chuàng)造性地解決實(shí)際問題的能力。 本課題中多平動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械手的系統(tǒng)主要采用液壓驅(qū)動(dòng)。 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) 1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 工業(yè)機(jī)械手最早應(yīng)用在汽車制造工業(yè)，常用于焊接、噴漆、上下料和搬運(yùn)。工業(yè)機(jī)械手延伸和擴(kuò)大了人的 手足和大腦功能，它可替代人從事危險(xiǎn)、有害、有毒、低溫和高溫等惡劣環(huán)境中工作，代替人完成繁重、單調(diào)重復(fù)勞動(dòng)，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。目前主要應(yīng)用與制造業(yè)中，特別是電器制造、汽車制造、塑料加工、通用機(jī)械制造及金屬加工等工業(yè)。工業(yè)機(jī)械手與數(shù)控加工中心，自動(dòng)搬運(yùn)小車與自動(dòng)檢測系統(tǒng)可組成柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，功能和性能的不斷改善和提高，機(jī)械手的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。 我國工業(yè)機(jī)械手的研究與開發(fā)始于20世紀(jì)70年代。1972年我國第一臺(tái)機(jī)械手開發(fā)于上海，隨之全國各省都開始研制和應(yīng)用機(jī)械手。從第七個(gè)五年計(jì)劃（1986-1990）開始，我國政府將工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展列入其中，并且為此項(xiàng)目投入大量的資金，研究開發(fā)并且制造了一系列的工業(yè)機(jī)器人，有由北京機(jī)械自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)制造的噴涂機(jī)器人，廣州機(jī)床研究所和北京機(jī)床研究所合作設(shè)計(jì)制造的點(diǎn)焊機(jī)器人，大連機(jī)床研究所設(shè)計(jì)制造的氬弧焊機(jī)器人，沈陽工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)制造的裝卸載機(jī)器人等。這些機(jī)器人的控制器，都是由中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所和北京科技大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的，同時(shí)一系列的機(jī)器人關(guān)鍵部件也被開發(fā)出來，如機(jī)器人專用軸承，減震齒輪，直流伺服電機(jī)，編碼器等。 我國的工業(yè)機(jī)械手發(fā)展主要是逐步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同 32 時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，研制出示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合式機(jī)械手等。所以，在國內(nèi)主要是逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍，重點(diǎn)發(fā)展鑄造、熱處理方面的機(jī)械手，以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)條件，在應(yīng)用專業(yè)機(jī)械手的同時(shí)，相應(yīng)的發(fā)展通用機(jī)械手，有條件的要研制示教式機(jī)械手、計(jì)算機(jī)控制機(jī)械手和組合機(jī)械手等。同時(shí)要提高速度，減少?zèng)_擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機(jī)械手的作用?？梢詫C(jī)械手各運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，如伸縮、擺動(dòng)、升降、橫移、俯仰等機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)成典型的通用機(jī)構(gòu)，以便根據(jù)不同的作業(yè)要求，選用不用的典型機(jī)構(gòu)，組裝成各種用途的機(jī)械手，即便于設(shè)計(jì)制造，又便于跟換工件，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。目前國內(nèi)機(jī)械手主要用于機(jī)床加工、鍛造。熱處理等方面，數(shù)量、品種、性能方面都不能滿足工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的需要。此外還應(yīng)大力研究伺服型、記憶再現(xiàn)型，以及具有觸覺、視覺等性能的機(jī)械手，并考慮與計(jì)算機(jī)連用，逐步成為整個(gè)機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)基本單元。 1.2.2國外研究現(xiàn)狀 國外機(jī)械手在機(jī)械制造行業(yè)中應(yīng)用較多，發(fā)展也很快。目前主要用于機(jī)床、橫鍛壓力機(jī)的上下料，以及點(diǎn)焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。國外機(jī)械手的今后趨勢(shì)是大力研制具有某種智能的機(jī)械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應(yīng)的變更。如發(fā)生少許偏差時(shí)候，即能更正并自行檢測，重點(diǎn)是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經(jīng)取得一定的成績。 1962年，美國又試制成一臺(tái)數(shù)控示教再現(xiàn)型機(jī)械手。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)仿造坦克炮塔，臂可以回轉(zhuǎn)、俯仰、伸縮，用液壓驅(qū)動(dòng)；控制系統(tǒng)用磁鼓做儲(chǔ)存裝置。不少球面坐標(biāo)式機(jī)械手就是在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的；同年該公司和普曼公司合并成為萬能制動(dòng)公司，專門生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。1962年美國機(jī)械鑄造公司也實(shí)驗(yàn)成功一種叫Versatran機(jī)械手，原意是靈活搬運(yùn)，可做點(diǎn)位和軌跡控制：該機(jī)械手的中央立柱可以回轉(zhuǎn)、升降、伸縮，采用液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng)也是示教再現(xiàn)型。雖然這2種機(jī)械手出現(xiàn)在六十年代初，但都是國外機(jī)械手發(fā)展的基礎(chǔ)。從60年代后期起，噴漆、弧焊工業(yè)機(jī)器人相繼在生產(chǎn)中開始應(yīng)用。1978年美國Unimate公司和斯坦福大學(xué)、麻省理工學(xué)院聯(lián)合研制出一種Unimation—Vic.arm型工業(yè)機(jī)械手，裝有小型電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，用于裝配作業(yè)。聯(lián)邦德國機(jī)器制造業(yè)是從1970年開始應(yīng)用機(jī)械手，主要用于起重運(yùn)輸、焊接和設(shè)備的上下料等作業(yè)：聯(lián)邦德國Kuka公司還生產(chǎn)一種點(diǎn)焊機(jī)械手，采用關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)和程序控制；日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快，應(yīng)用國家最多的國家，自1969年從美國引進(jìn)兩種典型機(jī)械手后，開始大力從事機(jī)械手的研究，目前以成為世界上工業(yè)機(jī)械手應(yīng)用最多的國家之一。前蘇聯(lián)自六十年代開始發(fā)展應(yīng)用機(jī)械手，主要用于機(jī)械化、自動(dòng)化程序較低、繁重單調(diào)、有害于健康的輔助性工作。 1.2.3發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)代汽車制造工廠的生產(chǎn)線，尤其是主要工藝的焊接生產(chǎn)線，大多采用了氣動(dòng)機(jī)械手。車身在每個(gè)工序的移動(dòng)；車身外殼被真空吸盤吸起和放下，在指定工位的夾緊和定位；點(diǎn)焊機(jī)焊頭的快速接近、減速軟著陸后的變壓控制點(diǎn)焊，都采用了各種特殊功能的氣動(dòng)機(jī)械手。 目前世界高端工業(yè)機(jī)械手均具有高精化，高速化，多軸化，輕量化等的發(fā)展趨勢(shì)。定位精度可以滿足微米及亞微米級(jí)要求，運(yùn)行速度可以達(dá)到3M/S，良新產(chǎn)品可以達(dá)到6軸，負(fù)載2KG的產(chǎn)品系統(tǒng)總重已突破100KG。更重要的是將機(jī)械手、柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元相互結(jié)合，從而根本改變目前機(jī)械制造系統(tǒng)的人工操作狀態(tài)。同時(shí)，隨著機(jī)械手的小型化和微型化，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)突破傳統(tǒng)的機(jī)械領(lǐng)域，從而向著電子信息、生物技術(shù)、生命科學(xué)及航空航天等高端行業(yè)發(fā)展。 1.3 本設(shè)計(jì)主要研究的內(nèi)容 本課題研究的機(jī)械手一共擁有五個(gè)自由度，采用全液壓驅(qū)動(dòng)，來夾取工件，本文擬定解決的主要問題如下： 機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由手爪、手腕、手臂、支座組成。手爪是抓取機(jī)構(gòu)，用來夾緊或是松開噴槍，與人的手指相仿，能完成人手的類似動(dòng)作。手腕是連接手指和手臂的元件，可以進(jìn)行俯仰動(dòng)作。簡單的機(jī)械手可以沒有手腕，而只有手臂，手臂的動(dòng)作和手腕相類似，只是動(dòng)作范圍更大，可以前后伸縮，上下俯仰和左右擺動(dòng)等。支柱用來支撐手臂，它是固定的。 1.3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)部分 1）運(yùn)動(dòng)形式方案選擇 為實(shí)現(xiàn)不同動(dòng)作，應(yīng)選取不同方案。本課題已確定采用球坐標(biāo)機(jī)構(gòu)。 2）機(jī)身結(jié)構(gòu) 機(jī)身采用回轉(zhuǎn)與俯仰結(jié)構(gòu)機(jī)身。實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)方案有幾種，擺動(dòng)油缸驅(qū)動(dòng)，升縮油缸在上，回轉(zhuǎn)油缸在下。實(shí)現(xiàn)機(jī)身回轉(zhuǎn)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。 3）手臂結(jié)構(gòu) 手臂的運(yùn)動(dòng)方式為左右轉(zhuǎn)動(dòng)、前后伸縮及上下擺動(dòng)，其中上下擺動(dòng)采用手臂俯仰油缸與活塞桿機(jī)構(gòu)連用來實(shí)現(xiàn)，手臂的前后伸縮采用直線缸來實(shí)現(xiàn)。 4）手腕結(jié)構(gòu) 手腕設(shè)計(jì)根據(jù)我所設(shè)計(jì)的機(jī)械手的要求，選擇雙自由度手腕。手腕的俯仰動(dòng)作由液壓缸直接驅(qū)動(dòng)，抓取同樣用液壓缸驅(qū)動(dòng)。 1.3.2機(jī)械手驅(qū)動(dòng)方式 采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)與俯仰，以及各部件的伸縮俯仰運(yùn)動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)身的旋轉(zhuǎn)，選用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。手臂伸縮與俯仰都采用液壓缸驅(qū)動(dòng)。手腕俯仰采用液壓缸驅(qū)動(dòng)，手抓的驅(qū)動(dòng)同樣采用液壓驅(qū)動(dòng)。 2 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì) 2.1 機(jī)械手的組成 機(jī)械手由三大部分（機(jī)械部分、傳感部分、控制部分）六個(gè)子系統(tǒng)（驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、感受系統(tǒng)、機(jī)器人-環(huán)境交互系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、控制系統(tǒng)）組成。 機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)：機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)又主要包括末端操作器、手腕、手臂、機(jī)身（立柱）。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：驅(qū)動(dòng)器是把從動(dòng)力源獲得的能量變換成機(jī)械能，使機(jī)器人各關(guān)節(jié)能夠工作的裝置，常見的驅(qū)動(dòng)形式有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)以及近些年出現(xiàn)的一些特殊的新型驅(qū)動(dòng)（例如超聲波驅(qū)動(dòng)、磁致伸縮驅(qū)動(dòng)、靜電驅(qū)動(dòng)等）。 控制系統(tǒng)：機(jī)器人的控制方式多種多樣，根據(jù)作業(yè)任務(wù)不同，主要可分為點(diǎn)位控制方式（PTP）、連續(xù)軌跡控制方式（CP）、力（力矩）控制方式和智能控制方式。 2.2 機(jī)械手的設(shè)計(jì) 2.2.1 設(shè)計(jì)要求 該機(jī)械手的動(dòng)作流程：初始位姿→手爪松開→抓住物體→機(jī)身轉(zhuǎn)動(dòng)→手臂向上運(yùn)動(dòng)→手臂進(jìn)行伸長→手腕上下俯仰→放下物體→手腕歸位→手臂回縮→手臂向下歸到原位→機(jī)身回轉(zhuǎn)回到初始位姿。 2.2.2 總體設(shè)計(jì)任務(wù) (1) 結(jié)構(gòu)形式的選擇：機(jī)械手常見的運(yùn)動(dòng)形式有1）直角坐標(biāo)型2）圓柱坐標(biāo)型3）球坐標(biāo)（極坐標(biāo)）型4）關(guān)節(jié)型（回轉(zhuǎn)坐標(biāo)）型5）平面關(guān)節(jié)型五種。 圓柱坐標(biāo)型：由三個(gè)自由度組成的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，工作空間為圓柱形，它與直角坐標(biāo)型比較，在相同的空間條件下，機(jī)體所占體積小，而運(yùn)動(dòng)范圍大。 直角坐標(biāo)型：其運(yùn)動(dòng)部分的三個(gè)相互垂直的直線組成，其工作空間為長方體，它在各個(gè)軸向的移動(dòng)距離可在坐標(biāo)軸上直接讀出，直觀性強(qiáng)，易于位置和姿態(tài)的編程計(jì)算，定位精度高，結(jié)構(gòu)簡單，但機(jī)體所占空間大，靈活性較差。 球坐標(biāo)型：它由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)和一個(gè)直線組成，即一個(gè)回轉(zhuǎn)，一個(gè)俯仰和一個(gè)伸縮，其工作空間圖形唯一球體，它可以做上下俯仰動(dòng)作并能夠抓取地面上的東西 或較低位置的工件，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工作范圍大的特點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。 關(guān)節(jié)型：這種機(jī)器人的手臂與人體上肢類似，其前三個(gè)自由度都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種機(jī)器人一般由大小臂組成，立柱與大臂間形成肘關(guān)節(jié)，可使大臂作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和使大臂作俯仰運(yùn)動(dòng)，小臂作俯仰擺動(dòng)，其特點(diǎn)是工作空間范圍大，動(dòng)作靈活，通用性強(qiáng)，能抓取靠近機(jī)座的工件。 平面關(guān)節(jié)型：采用兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，兩個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)控制前后、左右運(yùn)動(dòng)，而移動(dòng)關(guān)節(jié)控制上下運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人在水平方向上有柔順度，在垂直方向上有較大的剛度，它結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)作靈活，多用于裝配作業(yè)中，特別適合中小規(guī)格零件的插接裝配。 綜上，本次設(shè)計(jì)中采用回轉(zhuǎn)坐標(biāo)型。 (2) 自由度的確定：自由度(Degrees of Freedom),指機(jī)器人所具有的獨(dú)立坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)目。在運(yùn)動(dòng)形式上分為為直線運(yùn)動(dòng)P，為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)R。自由度數(shù)的多少反映了這種機(jī)械手能完成動(dòng)作的復(fù)雜程度，根據(jù)對(duì)機(jī)械手必須完成的動(dòng)作的研究，設(shè)計(jì)五個(gè)自由度的機(jī)械手即可完成所規(guī)定的工作任務(wù)。 (3) 驅(qū)動(dòng)方式的選擇：1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有液壓驅(qū)動(dòng)2）氣壓驅(qū)動(dòng)3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)4）機(jī)械聯(lián)動(dòng)四種，其中液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)較為通用。 液壓驅(qū)動(dòng)：結(jié)構(gòu)緊湊、動(dòng)作平穩(wěn)、耐沖擊、耐振動(dòng)、防爆性好。而且液壓技術(shù)比較成熟，具有動(dòng)力大、力慣量比大、快速響應(yīng)高、易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)。 氣壓驅(qū)動(dòng)：具有速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低、維修方便、清潔等特點(diǎn)，適用于中小負(fù)載的系統(tǒng)中，但對(duì)速度很難進(jìn)行精確控制，且氣壓不可太高，所以抓舉能力較低，難于實(shí)現(xiàn)伺服控制。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)：步進(jìn)或伺服電機(jī)可用于程序復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)軌跡要求嚴(yán)格的小型通用機(jī)械手； 異步電機(jī)、直流電機(jī)適用于抓重大、速度低的專用機(jī)械手；電源方便，響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)力較大，信號(hào)檢測、傳遞、處理方便，控制方式靈活，安裝維修方便。但控制性能差，慣性大，不易精確定位。 機(jī)械聯(lián)動(dòng)：動(dòng)作可靠，動(dòng)作范圍小，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，適用于自由度少、速度快的專用機(jī)械手。 同其他轉(zhuǎn)動(dòng)方式相比較，傳動(dòng)功率相同時(shí)，液壓傳動(dòng)裝置的重量輕，體積緊湊，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速，調(diào)速范圍大。運(yùn)動(dòng)件的慣性小，能夠頻繁順序換向，傳動(dòng)工作平穩(wěn)，系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)緩沖吸著震，并能自動(dòng)防止過載。與電氣配合，容易實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和操作自動(dòng)化，與微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)配合，能夠?qū)崿F(xiàn)各種自動(dòng)控制工作。液壓元件基本已經(jīng)上系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，利于CAD技術(shù)的應(yīng)用、提高工效，降低成本。容易達(dá)到較高的單位面積壓力，較小的體積可獲得較大的出力（推力或轉(zhuǎn)距）。液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作較平穩(wěn)，可靠，并可實(shí)現(xiàn)較高的位置精度。液壓傳動(dòng)中，力，速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。液壓裝置采用油液做介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑效能，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。 綜上，本次設(shè)計(jì)采用液壓驅(qū)動(dòng)。 (4) 控制方式的選擇：1）點(diǎn)位控制方式（PTP）2）連續(xù)軌跡控制方式（CP）3）力（力矩）控制方式 4）智能控制方式。 點(diǎn)位控制的特點(diǎn)是只控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在作業(yè)空間中某些規(guī)定的離散點(diǎn)上的位姿?？刂茣r(shí)只要求工業(yè)機(jī)器人快速、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)相鄰各點(diǎn)之間的運(yùn)動(dòng)，而對(duì)達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡不做任何規(guī)定。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是定位精度和運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間。由于其控制方式易于實(shí)現(xiàn)，常應(yīng)用于上下料、搬運(yùn)、點(diǎn)焊等工業(yè)機(jī)器人。 連續(xù)軌跡控制的特點(diǎn)是連續(xù)的控制工業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行器在作業(yè)空間的位姿，要求其嚴(yán)格按照預(yù)定的軌跡和速度在一定的精度要求內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而且速度可控，軌跡光滑且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。這種控制方式的主要技術(shù)指標(biāo)是工業(yè)機(jī)器人末端操作器位姿的軌跡跟蹤精度及平穩(wěn)性。常用于弧焊、噴漆、去毛邊和檢測作業(yè)機(jī)器人。 力（力矩）控制方式常用于準(zhǔn)確定位并要求使用適度的力或力矩來完成裝配、抓放物體等工作。 智能控制方式是通過傳感器獲得周圍環(huán)境的知識(shí)，并根據(jù)自身內(nèi)部的知識(shí)庫相應(yīng)做出決策。采用智能控制技術(shù)的機(jī)器人具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)能力，技術(shù)難度及成本要求都比較高。 綜上，本次設(shè)計(jì)采用點(diǎn)位控制。 2.2.3 總體方案擬定 考慮本機(jī)械手工作要求的特殊情況，本設(shè)計(jì)采用懸臂式五自由度的機(jī)械手： 自由度具體分配如下： 1）手臂回轉(zhuǎn)自由度。擬采用液壓馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)，液壓馬達(dá)通過齒輪傳動(dòng)通過帶動(dòng)與之相連的缸體也發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)身的回轉(zhuǎn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。 2）手臂俯仰自由度。機(jī)器人的手臂俯仰運(yùn)動(dòng)，一般采用活塞油（氣）與連桿機(jī)構(gòu)聯(lián)用來實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，缸體采用尾部耳環(huán)與機(jī)身連接，而其活塞桿的伸出端則與手臂通過鉸鏈相連。其行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。 3）手臂伸縮自由度。由于油缸或氣缸的體積小，質(zhì)量輕，因而在機(jī)器人手臂結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多。設(shè)計(jì)中擬采用單活塞桿液壓缸來實(shí)現(xiàn)，其伸縮行程大小靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。 4）手腕俯仰自由度。擬采用液壓缸來實(shí)現(xiàn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。 5）手爪的抓取自由度。擬采用液壓缸來實(shí)現(xiàn)。其行程角度靠擋塊和限位行程開關(guān)來調(diào)整。 3 機(jī)械手結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)分析 3.1 末端操作器的設(shè)計(jì) 工業(yè)機(jī)器人的末端操作器是機(jī)器人直接用于抓取、握緊、吸附專用工具等進(jìn)行操作的部件，根據(jù)被操作工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面形態(tài)各有不同，其形式也多種多樣，大部分末端操作器的結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件專門加工的，常用的有四類：1）夾鉗式取料手2）吸附式取料手3）專用操作器及轉(zhuǎn)換器4）仿生多指靈巧手。 夾鉗式取料手是工業(yè)機(jī)器人最常用的一種末端操作器形式，在流水線上應(yīng)用廣泛。它一般由手指、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、連接與支承元件組成，工作機(jī)理類似于常用的手鉗。 吸附式取料手靠吸附力取料，根據(jù)吸附力的不同分為氣吸附和磁吸附兩種。吸附式取料手應(yīng)用于大平面（單面接觸無法抓?。⒁姿椋úＡ?、磁盤）、微?。ú灰鬃ト。┑奈矬w。 因?yàn)閷Ｓ貌僮髌骷稗D(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手的技術(shù)難度及成本要求都比較高。 3.2 手腕的設(shè)計(jì) 機(jī)器人手腕是連接末端操作器和手臂的部件，它的作用是調(diào)節(jié)或改變工件方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)器人末端操作器適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)作要求。此處手腕需實(shí)現(xiàn)手部的翻轉(zhuǎn)（Roll）動(dòng)作，腕部結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在手部相對(duì)于臂部的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)上。 3.3 手臂的設(shè)計(jì) 手臂是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中重要的部件，它的作用是將被抓取的工件運(yùn)動(dòng)到給定的位置上。手臂的結(jié)構(gòu)要緊湊小巧，才能使手臂運(yùn)動(dòng)輕快、靈活。 手臂一般有伸縮運(yùn)動(dòng)、左右回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、升降（或俯仰）運(yùn)動(dòng)三個(gè)自由度。在一般情況，手臂的伸縮和回轉(zhuǎn)、俯仰均要求勻速運(yùn)動(dòng)，但在手臂的起動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊，要求起動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。伸縮運(yùn)動(dòng)一般采用直線液壓缸驅(qū)動(dòng)，俯仰運(yùn)動(dòng)大多采用伸縮單作用（單活塞桿）驅(qū)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)則大多用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實(shí)現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)采用單作用（單活塞桿）缸來實(shí)現(xiàn)手臂的伸縮。為了增加手臂的剛性， 防止手臂在伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)繞軸線轉(zhuǎn)動(dòng)或產(chǎn)生變形，手臂的伸縮機(jī)構(gòu)需設(shè)置導(dǎo)向裝置，或設(shè)計(jì)方形、花鍵等形式的臂桿。根據(jù)手臂的結(jié)構(gòu)、抓重等因素，為了使抓取時(shí)不產(chǎn)生偏重力矩使抓取可靠，本設(shè)計(jì)中采用四根導(dǎo)向柱的臂伸縮結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是行程長，抓重大，而工件不規(guī)則時(shí)還可以防止產(chǎn)生過大的偏重力矩。簡圖如下： 圖3.1 四導(dǎo)向桿式手臂機(jī)構(gòu)簡圖 從圖中可以比較清楚地看到手臂伸縮油缸結(jié)構(gòu)及導(dǎo)向桿的安放方式以及手臂與其他部件的連接點(diǎn)。 手臂俯仰運(yùn)動(dòng)采用單作用（單活塞桿）缸來驅(qū)動(dòng)。直線油缸的缸底與機(jī)身通過鉸鏈相連，而油缸活塞桿的伸出端則與臂部鉸接，這樣當(dāng)壓力油進(jìn)入油缸時(shí)就驅(qū)動(dòng)活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過活塞桿的運(yùn)動(dòng)就使與其相連的手臂形成了俯仰的運(yùn)動(dòng)。由于俯仰油缸是采用底部耳環(huán)擺動(dòng)式直線缸，所以在活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，缸體可在平面內(nèi)擺動(dòng)。 采用擺動(dòng)馬達(dá)來實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)。 對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，還要考慮零件在手臂上的布置，就是要計(jì)算手臂移動(dòng)零件時(shí)的重量對(duì)回轉(zhuǎn)、升降、支承中心的偏重力矩。偏重力矩對(duì)手臂運(yùn)動(dòng)很不利。偏重力矩過大，會(huì)引起手臂的振動(dòng)，在升降時(shí)還會(huì)發(fā)生一種沉頭現(xiàn)象，也會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的靈活性，嚴(yán)重時(shí)手臂與立柱會(huì)卡死。所以在設(shè)計(jì)手臂時(shí)要盡量使手臂重心通過回轉(zhuǎn)中心，或離回轉(zhuǎn)中心要盡量地近，以減少偏重力矩。為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：1）可減少手臂運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸2）減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸），盡可能在較小的前伸位置進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作3）在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。 3.4 機(jī)身和機(jī)座的設(shè)計(jì) 機(jī)身，又稱為立柱，是支撐手臂的部件，并能輔助實(shí)現(xiàn)手臂的升降、回轉(zhuǎn)或俯仰運(yùn)動(dòng)。它是機(jī)器人的基礎(chǔ)部分，起支承作用。對(duì)固定機(jī)器人，直接連接在地面基礎(chǔ)上，對(duì)移動(dòng)式機(jī)器人，則安裝在移動(dòng)機(jī)構(gòu)上。 機(jī)器人機(jī)座可分為固定式和行走式兩種，一般工業(yè)機(jī)器人的機(jī)座為固定式。固定式機(jī)器人的機(jī)身直接連接在地面基礎(chǔ)上，也可以固定在機(jī)身上。 此處要求機(jī)械手的工作范圍比較小，故設(shè)計(jì)為固定式機(jī)器人，機(jī)身與機(jī)座用螺柱連接，機(jī)座用螺栓固定在地面基礎(chǔ)上。 機(jī)身設(shè)計(jì)要求：1）剛度和強(qiáng)度大，穩(wěn)定性好2）運(yùn)動(dòng)靈活，導(dǎo)套不宜過短，避免卡死3）驅(qū)動(dòng)方式適宜，結(jié)構(gòu)布置合理。 4 機(jī)械手各部件的載荷計(jì)算 4.1 設(shè)計(jì)要求分析 本課題設(shè)計(jì)的多自由度機(jī)械手采用關(guān)節(jié)型坐標(biāo)系、全液壓驅(qū)動(dòng)，具有手臂伸縮、俯仰、回轉(zhuǎn)、抓取和手腕回轉(zhuǎn)五個(gè)自由度。執(zhí)行機(jī)構(gòu)相應(yīng)由手部抓取機(jī)構(gòu)、手腕回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、手臂伸縮機(jī)構(gòu)、手臂俯仰機(jī)構(gòu)、手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和手抓的抓取機(jī)構(gòu)等組成，每一部分均由液壓缸驅(qū)動(dòng)與控制。 4.2 手指夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)中采用四指V形結(jié)構(gòu)，指面光滑，避免工件被夾持部位的表面受損。手指的驅(qū)動(dòng)采用彈簧復(fù)位（單活塞桿）單作用液壓缸，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用斜楔杠桿式復(fù)合回轉(zhuǎn)傳動(dòng)，并在杠桿上裝有張緊彈簧，以保證手指夾緊驅(qū)動(dòng)液壓缸的復(fù)位。手指厚度根據(jù)需要夾持的工件設(shè)定，V形指合攏后的尺寸為工件被夾持部位直徑的外接正六邊形，保證了機(jī)械手工作時(shí)的可靠性。 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計(jì)手部結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)。夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的載荷以及工件運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化所產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對(duì)工件的夾緊力計(jì)算： （4.1） 式中： ——安全系數(shù)，通常取1.2～2.0； ——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響。可估算： = （4.2） 其中：——重力加速度； ——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升加速度，可計(jì)算： （4.3） ——運(yùn)載工件時(shí)重力方向的最大上升速度，0.07。 ——系統(tǒng)達(dá)到最高速度的時(shí)間，一般取0.3～0.5。 ——方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定。0.9～1.1。 ——被抓取工件所受重力（）。 計(jì)算可得： 手指夾緊由單作用液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，則手指夾緊缸的載荷為： 160 4.3 手臂伸縮機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 手臂伸縮采用雙作用液壓缸實(shí)現(xiàn)，臂部作水平伸縮運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導(dǎo)向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還在克服啟動(dòng)過程中的慣性力。其驅(qū)動(dòng)力可可按下式計(jì)算： （4.4） 式中： ——各支承處的的摩擦阻力（N），其大小可按下式估算： （4.5） 式中： G——運(yùn)動(dòng)部件所受的重力（）； ——外載荷作用于導(dǎo)軌上的正壓力（），其大小可按下式計(jì)算： （4.6） ——摩擦系數(shù)，取0.1，詳見機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表23.4-1； ——啟動(dòng)過程中的慣性力（），其大小可按下式估算： （4.7） 式中： ——重力加速度，取9.8； ——速度變化量（）。如果臂部從靜止?fàn)顟B(tài)加速到工作速度時(shí)，則這個(gè)過程的速度變化量就等于臂部的工作速度。 ——啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)間（），一般為0.1～。對(duì)輕載低速運(yùn)動(dòng)部件取小值，對(duì)重載高速部件取大值，行走機(jī)械一般取0.5~1.5。 經(jīng)過計(jì)算得： = 4.4 手臂俯仰機(jī)構(gòu)載荷的計(jì)算 當(dāng)手臂從水平位置成仰角時(shí)或從角度恢復(fù)為水平時(shí)的加速或減速過程，鉸接活塞桿的載荷（即俯仰直線缸驅(qū)動(dòng)力）達(dá)到最大。其在垂直方向上的最大線速度為0.07，加速時(shí)間為0.1，由于升降過程一般不是等加速運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)力矩要比理論平均值大一些，一般取平均值的1.3倍。則手臂俯仰油缸載荷： （4.8） 式中： ——手臂俯仰缸所支撐的重量（），由下式可得： ——手臂俯仰缸的活塞桿的加速度。 經(jīng)過計(jì)算得： 4.5 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)載荷力矩的計(jì)算 臂部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)力矩,應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支承處的摩擦力矩來計(jì)算。回轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于起動(dòng)過程中不是等加速運(yùn)動(dòng),所以最大驅(qū)動(dòng)力矩比理論上平均值大一些，計(jì)算時(shí)一般取1.3倍。計(jì)算時(shí)還要考慮液壓馬達(dá)的機(jī)械效率（0.9~0.99），驅(qū)動(dòng)力矩按下式計(jì)算： （4.9） 式中： ——摩擦力矩(包括各支承處的摩擦力矩) （）； ——起動(dòng)時(shí)慣性力矩（），一般按下式計(jì)算: （4.10） 其中： ——臂部對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）； ——速度變化量（）； ——回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)起動(dòng)或制動(dòng)所需的時(shí)間（s）, 一般為0.1～0.5s。對(duì)輕載低速運(yùn)動(dòng)部件取小值，對(duì)重載高速部件取大值，行走機(jī)械一般取=0.5～1.5m/s。 在計(jì)算臂部部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，可將形狀復(fù)雜的零件簡化為幾個(gè)形狀簡單的零件，分別求出各簡單零件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。若零、部件沿臂部伸縮運(yùn)動(dòng)方向上的軸向尺寸與其重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離比值不超過二分之一時(shí)，一般可把它當(dāng)作質(zhì)點(diǎn)來計(jì)算，這樣簡化計(jì)算的誤差不超過5%。經(jīng)過計(jì)算可得如下結(jié)果： = 4.6 初選系統(tǒng)工作壓力 壓力的選擇要根據(jù)載荷大小和設(shè)備類型而定。還要考慮執(zhí)行元件的裝配空間、經(jīng)濟(jì)條件及元件供應(yīng)情況等的限制。在載荷一定的情況下，工作壓力低，勢(shì)必要加大執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)某些設(shè)備來說，尺寸要受到限制，從材料消耗角度看也不經(jīng)濟(jì)；反之，壓力選得太高，對(duì)泵、缸、閥等元件的材質(zhì)、密封、制造精度也要求很高，必然要提高設(shè)備成本。一般來說，對(duì)于固定的尺寸不太受限制的設(shè)備，壓力選低一些，行走機(jī)械重載設(shè)備壓力要選得高一些。選擇可參考一下兩表： 表4.1 按載荷選擇工作壓力 載荷/KN <5 5～10 10～20 20～30 30～50 >50 工作壓力 /MPa <0.8～1 1.5～2 2.5～3 3～4 4～5 ≥5 表4.2 各種機(jī)械常用的系統(tǒng)工作壓力 機(jī)械類型 磨床 組合 機(jī)床 龍門 刨床 拉床 農(nóng)業(yè)機(jī)械小型工程機(jī)械 建筑機(jī)械液壓鑿巖機(jī) 液壓機(jī) 大中型挖掘機(jī) 起重機(jī)械 起重運(yùn)輸機(jī)械 工作壓力/MPa 0.8～2 3～5 2～8 8～10 10～18 20～32 從各方面綜合考慮，根據(jù)計(jì)算所得的數(shù)據(jù)，搬運(yùn)機(jī)械手的工作壓力選擇為8MPa。 5 機(jī)械手各部件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算及校核 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手的主要結(jié)構(gòu)部件即為液壓缸，總體結(jié)構(gòu)尺寸即為液壓缸尺寸。一般來說液壓缸是標(biāo)準(zhǔn)件,但有時(shí)也需來自行設(shè)計(jì),故需了解其主要尺寸的計(jì)算及強(qiáng)度、剛度的驗(yàn)算方法。對(duì)于活塞缸，缸的直徑是指缸的內(nèi)徑。缸的內(nèi)徑D和活塞桿直徑d可根據(jù)最大總負(fù)載和選取的工作壓力來確定。 5.1 手腕油缸尺寸的設(shè)計(jì)校核 手指夾緊采用的單作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。 (1) 液壓缸內(nèi)徑及活塞桿外徑的確定 為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態(tài)，下圖為活塞桿工作在受拉狀態(tài)。 活塞桿受壓時(shí) 圖5.1 活塞桿受壓示意圖 （5.1） 活塞桿受拉時(shí) 圖5.2 活塞桿受拉示意圖 （5.2） 式中： ——無桿活塞桿有效作用面積（）； ——有桿活塞桿有效作用面積（）； ——液壓缸工作腔壓力8MPa； ——背壓力，液壓缸回油腔壓力，其值根據(jù)回路的具體情況而定，初算時(shí)可參照表5-1，此處選取背壓0。 ——油缸內(nèi)徑（）； ——活塞桿直徑（）。 表5.1 執(zhí)行元件背壓力 系統(tǒng)類型 背壓力/MPa 簡單系統(tǒng)或節(jié)流調(diào)速系統(tǒng) 0.2～0.5 回油路帶調(diào)速閥系統(tǒng) 0.4～0.6 回油路設(shè)置有背壓閥的系統(tǒng) 0.5～1.5 用補(bǔ)油泵的閉式回路 0.8～1.5 回油路較復(fù)雜的工程機(jī)械 1.2～3 回油路較短，且直接回油箱 可忽略不計(jì) 對(duì)單活塞桿缸，無桿腔進(jìn)液體或氣體時(shí)，不考慮機(jī)械效率，可得： D= （5.3） 有桿腔進(jìn)液體或氣體時(shí)，不考慮機(jī)械效率，可得： = （5.4） 這時(shí)，上面兩式便可簡化，即無桿腔進(jìn)液體時(shí)： = （5.5） 有桿腔進(jìn)油時(shí)： = （5.6） 若綜合考慮排液對(duì)活塞產(chǎn)生的背壓，活塞和活塞桿處密封及導(dǎo)套產(chǎn)生的摩擦力，以及運(yùn)動(dòng)件質(zhì)量產(chǎn)生慣性力等的影響，一般取機(jī)械效率0.8或0.9?；钊麠U的桿徑可根據(jù)工作壓力選取，見表5-2。 表5.2 按工作壓力選取d/D 工作壓力/MPa ≤5.0 5.0～7.0 ≥7 / 0.5～0.55 0.62～0.70 0.7 當(dāng)液壓缸的往復(fù)速度比有一定要求時(shí)，桿徑可由下式計(jì)算。 d= （5.7） 液壓缸的速比過大會(huì)使無桿腔產(chǎn)生過大的背壓，速度比過小則活塞桿太細(xì)，穩(wěn)定性不好。推薦液壓缸的速度比如表所示。 表5.3 按速比要求確定d/D 往復(fù)速比 1.15 1.25 1.33 1.46 1.61 2 / 0.3 0.4 0.5 0.55 0.62 0.71 經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑96，活塞桿直徑67.2。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為，活塞桿直徑。 液壓缸的缸筒長度由活塞桿最大行程、活塞長度、活塞桿導(dǎo)向套長度、活塞桿密封長度和特殊要求的其它長度確定。一般活塞桿寬度（1.6~1.0）；在>80時(shí)，導(dǎo)向套滑動(dòng)面長度（0.6~1.0）。為了減少加工難度，一般液壓缸缸筒長度不應(yīng)大于內(nèi)徑的20~30倍。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取夾緊液壓缸缸筒長度160。 缸筒是液壓缸中最重要的零件,它承受液體作用的壓力,其臂厚需進(jìn)行計(jì)算?；钊麠U受軸向壓縮負(fù)載時(shí)，為避免發(fā)生縱向彎曲，還要進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。 中、高壓缸一般用無縫鋼管作缸筒，大多數(shù)屬薄壁微，即≥10時(shí)，其最薄處的壁厚用材料力學(xué)薄壁圓筒公式計(jì)算壁厚，即： （5.8） 式中：——缸筒內(nèi)最高工作壓力； ——缸筒材料的許用應(yīng)力，由下式可計(jì)算： = （5.9） 式中： ——材料的抗拉強(qiáng)度，查機(jī)械手冊(cè)得610MPa； ——安全系數(shù)，當(dāng)≥10時(shí)一般取=5；當(dāng)<10時(shí)，稱為厚壁筒，高壓缸的缸筒大都屬于此類。 計(jì)算可得夾緊液壓缸壁厚10。 5.2 手臂伸縮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)校核 手臂伸縮機(jī)構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑145，活塞桿直徑101.5。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為160，活塞桿直徑100。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取手臂伸縮液壓缸缸筒長度2000，壁厚36。 5.3 手臂俯仰機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)校核 手臂俯仰機(jī)構(gòu)采用的雙作用活塞缸，由上章已知其載荷力大小。同理，經(jīng)過計(jì)算可得夾緊液壓缸的液壓缸內(nèi)徑101，活塞桿直徑70.7。按照GB/T2348-1993標(biāo)準(zhǔn)，圓整其值為100，活塞桿直徑70。根據(jù)以上原則并聯(lián)系實(shí)際工況取手臂俯仰液壓缸缸筒長度630，壁厚28。 5.4 機(jī)身擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核 機(jī)身擺動(dòng)選用的液壓馬達(dá)，由上一章已知其載荷力矩的大小。 液壓馬達(dá)的排量為 /r 根據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)中選取GM05型的液壓馬達(dá)。 5.5 強(qiáng)度校核 活塞桿在穩(wěn)定工況下，如果只受軸向的推力和拉力，可以近似地用直桿承受拉壓負(fù)載的簡單強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算： （5.10） 式中： ——活塞桿的作用力，單位； ——活塞桿直徑，單位； ——材料的許用應(yīng)力，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)為600MPa。 下面各液壓缸的活塞桿校核如下: 故<<，所以滿足強(qiáng)度要求。 5.6 彎曲穩(wěn)定性校核 活塞桿受軸向壓力作用時(shí)，有可能產(chǎn)生彎曲，當(dāng)此軸向力達(dá)到臨界值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)壓桿不穩(wěn)定現(xiàn)象學(xué)，臨界值的大小與活塞桿長和直徑，以及缸的安裝方式等有關(guān)。只有當(dāng)活塞桿的計(jì)算長度≥10時(shí)，才進(jìn)行活塞桿的縱向穩(wěn)定性計(jì)算。所以只需校核手臂伸縮液壓缸，其計(jì)算按材料力學(xué)的有關(guān)公式進(jìn)行。 使缸保持穩(wěn)定性的條件為： （5.11） （5.12） （5.13） （5.14） 式中： ——缸承受的軸向壓力（）； ——安全系數(shù)，一般取3.5～6； ——液壓缸安裝及導(dǎo)向系數(shù)，見機(jī)械設(shè)計(jì)手表20-6-17。 ——活塞桿彎曲失穩(wěn)的臨界壓力（），可由下式計(jì)算： L——液壓缸支承長度（）； ——活塞桿橫截面慣性矩（），可由下式計(jì)算： ——實(shí)際彈性模數(shù)，可由下式計(jì)算： ——材料的彈性模數(shù)（），鋼材； ——材料組織缺陷系數(shù)，鋼材一般取a； ——活塞桿截面不均勻系數(shù)，一般取b； ——活塞桿直徑（）。 計(jì)算可得： 4.9× 所以彎曲強(qiáng)度滿足要求。 6 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6.1 基本回路的選擇 設(shè)計(jì)合理的液壓系統(tǒng)才能確保全面、可靠地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)書中規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，通常做法是先選定系統(tǒng)類型，分別選擇各項(xiàng)要求的基本回路，最后再將各基本回路組合成完整的液壓系統(tǒng)。由于影響液壓系統(tǒng)方案的因素很多，設(shè)計(jì)中仍主要靠經(jīng)驗(yàn)來完成。 1）壓力源回路：壓力源回路又稱動(dòng)力源回路，其功能是向液壓系統(tǒng)提高滿足執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的壓力和流量。壓力源回路是由油箱、油箱附件、液壓泵、電動(dòng)機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）、安全閥、過濾器、單向閥等組成。設(shè)計(jì)中采用高低壓雙聯(lián)泵液壓源回路。 2）壓力控制回路：壓力控制回路是以控制系統(tǒng)及各支路壓力，使之完成特定功能的回路。壓力控制回路的種類很多，在一個(gè)工作循環(huán)的某一段時(shí)間內(nèi)各支路均不需要新提供的液壓能時(shí)，考慮采用泄卸荷回路；當(dāng)某支路需要穩(wěn)定的低于動(dòng)力油源的壓力時(shí)，應(yīng)考慮減壓回路；當(dāng)載荷變化較大時(shí)，應(yīng)考慮多級(jí)壓力控制回路；當(dāng)有慣性較大的運(yùn)動(dòng)部件時(shí)容易產(chǎn)生沖擊時(shí)，應(yīng)考慮緩沖或制動(dòng)回路；在有升降運(yùn)動(dòng)部件的液壓系統(tǒng)中應(yīng)考慮平衡回路等。本設(shè)計(jì)中采用通常將調(diào)壓、限壓回路與油源回路合并考慮。 3）速度控制回路：液壓系統(tǒng)原理圖的核心是調(diào)速回路，調(diào)速方案和調(diào)速回路對(duì)其它回路的選擇具有決定性的影響。本系統(tǒng)是功率較小的，故選用簡單的進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速。同樣的道路選用單泵供油，力求較好的經(jīng)濟(jì)性。在機(jī)械手的升降缸采用單伸出桿時(shí)，為了使往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度一致時(shí)要采用兩個(gè)單向節(jié)流閥來實(shí)現(xiàn)。若只用一個(gè)節(jié)流閥調(diào)速時(shí)，則應(yīng)將節(jié)流閥放到換向閥下面，并按有桿腔進(jìn)油達(dá)到最大允許速度，但仍然符合設(shè)計(jì)要求。 4）方向控制回路：控制執(zhí)行元件的啟動(dòng)、停止或改變運(yùn)動(dòng)方向或控制液流通斷或改變方向均需采用方向控制回路。實(shí)現(xiàn)方向控制的基本方法有：閥控主要是采用控制閥分配液流；泵控是采用雙向定量泵或雙向變量泵改變液流的方向和流量；執(zhí)行元件控制是采用雙向液壓馬達(dá)來改變液流方向。本設(shè)計(jì)中采用閥控。 6.2 液壓元件的選擇與校核 6.2.1 液壓泵的選擇 油泵作為液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件，是液壓系統(tǒng)的心臟，它把原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)等）輸入的機(jī)械能（轉(zhuǎn)矩和角速度）轉(zhuǎn)換為液壓能（壓力和流量）輸出，為執(zhí)行元件提供壓力油。液壓泵的性能好壞直接影響到液壓系統(tǒng)的工作特性和可靠性，在液壓傳動(dòng)中占有及其重要的地位。液壓泵按排量能否改變分為定量泵和變量泵；按進(jìn)、出油口的方向是否可變分為單向泵和雙向泵；按運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的形狀和運(yùn)動(dòng)方式分為齒輪泵、葉片泵、柱塞泵、螺桿泵。 選用液壓泵的原則和根據(jù)有： （1） 是否要求變量 要求變量選用變量泵，其中單作用葉片泵的工作壓力較低，僅適用于機(jī)床系統(tǒng)。 （2） 工作壓力 目前各類液壓泵的額定壓力都有所提高，但相對(duì)而言，柱塞泵的額定壓力最高。 （3） 工作環(huán)境 齒輪泵的抗污染能力最好，因此特別適于工作環(huán)境較差的場合。 （4） 噪音指標(biāo) 屬于低噪音的液壓泵有嚙合齒輪泵、雙作用葉片泵和螺桿泵，后兩種泵是瞬時(shí)理論流量均勻。 （5） 效率 按結(jié)構(gòu)形式分，軸向柱塞泵的總效率最高；而同一種結(jié)構(gòu)的液壓泵，排量大的總效率高；同一排量的液壓泵，在額定工況（額定壓力、額定轉(zhuǎn)速、最大排量）時(shí)總效率最高，若工作壓力低于額定壓力或轉(zhuǎn)速低于額定轉(zhuǎn)速、排量小于最大排量，泵的總效率將下降，甚至下降很多。因此，液壓泵應(yīng)在額定工況（額定壓力和額定轉(zhuǎn)速）或接近額定工況是條件下工作。 目前在機(jī)械手上多數(shù)采用齒輪泵和葉片泵，而從流量特性來看，多數(shù)是采用定量泵。設(shè)計(jì)中采用PV2R雙聯(lián)葉片泵。已知系統(tǒng)壓力為8MPa，選取PV2R12，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表20-5-33選取其前泵排量V1為33mL/r，后泵排量V2為12mL/r，其允許最高轉(zhuǎn)速1800r/min，最低轉(zhuǎn)速750r/min。該泵使用普通液壓油時(shí)前泵的最高使用壓力為14MPa，后泵為16MPa，滿足系統(tǒng)要求的8MPa。 前泵的流量： （6.1） 式中： ——泵的排量（）； ——泵的額定轉(zhuǎn)速（）。 后泵的流量： （6.2）式中： ——泵的排量（）； ——泵的額定轉(zhuǎn)速（）。 6.2.2 液壓泵所需電機(jī)功率的確定 （6.3） 式中： ——油泵所需要的電動(dòng)機(jī)功率； ——油泵的最大工作壓力（）； ——油泵最大流量（）； ——油泵總效率，一般葉片泵0.75～0.85；齒輪泵0.6～0.8；柱塞泵0.75～0.9。 前泵所需電機(jī)功率： 后泵所需電機(jī)功率： 6.2.3 液壓閥的選擇 液壓閥的作用是控制液壓系統(tǒng)的油流方向、壓力和流量，從而控制整個(gè)液壓系統(tǒng)的全部功能，如系統(tǒng)的工作壓力，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作程序，工作部件的運(yùn)動(dòng)速度、方向，以及變換頻率，輸出力或力矩等等。液壓閥的性能是否可靠，是關(guān)系到整個(gè)液壓系統(tǒng)能否正常工作的問題。 液壓閥的分類有：1）壓力控制閥：主要控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力或輸出轉(zhuǎn)矩的大小，并確定液壓泵及整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作負(fù)載，在過載時(shí)起到保護(hù)系統(tǒng)的作用。2）流量控制閥：根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)速度的要求供給所需流量。3）方向控制閥:控制油流的通、切斷或改變油流的方向，以控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向等。三類閥還可以相互組合，成為復(fù)合閥，以減少管路的連接，式結(jié)構(gòu)更為緊湊，提高系統(tǒng)效率。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，選擇合適的液壓閥，是使系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，性能優(yōu)良，安裝簡便，維修容易，并保證該系統(tǒng)正常工作的重要條件。 根據(jù)本液壓的設(shè)計(jì)要求，液壓閥的選擇按定壓力和額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量的原則。選擇換向回路的核心是選擇換向閥的形式，以實(shí)現(xiàn)對(duì)于換向精度及換向平穩(wěn)性的要求。一般來說，換向性能要求高，應(yīng)選用機(jī)動(dòng)換向閥或液動(dòng)換向閥，若對(duì)于換向性能無特別要求，應(yīng)選用電磁閥。根據(jù)本設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)要求，夾緊缸換向選用兩位兩通電磁閥，其他缸全部選用三位四通電磁換向閥。 為防止俯仰缸因自重自由下滑和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橫。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。手臂升降缸為立式液壓缸，為支承平衡手臂運(yùn)動(dòng)部件的自重，采用了單向順序閥的平衡回路。 6.2.4 液壓輔助元件的選擇原則