連桿式裝箱機械手的設計論文[帶圖紙]

1、<p>　　西安文理學院機械電子工程系</p><p>　　本科畢業(yè)設計（論文）</p><p>　　題 目 連桿裝箱機械手設計 </p><p>　　專業(yè)班級 機電08級二班 </p><p>　　學 號 08102080223 </p

2、><p>　　學生姓名 陳 凡 </p><p>　　指導教師 姚慧 </p><p>　　設計所在單位 西安文理學院 </p><p><b>　　2012年5月</b></p><p>　

3、　連桿裝箱機械手的機械設計</p><p><b>　　摘要：</b></p><p>　　工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動生產設備。工業(yè)機械手也是工業(yè)機器人的一個重要分支。主要敘述了機械手的設計計算過程。本文比較全面地討論了工業(yè)機械手的手部和腕部、手臂伸縮機構以及上升和回轉機構等主要部件的結構設計。并在最后做了一些液壓控制方面的設計，繪制了液壓系統(tǒng)圖等。

4、工業(yè)機械手是近代自動控制領域中出現(xiàn)的一項新技術，并已成為現(xiàn)代機械制造生產系統(tǒng)中的一個重要組成部分，這種新技術發(fā)展很快，逐漸成為一門新興的學科——機械手工程。機械手涉及到力學、機械學、電器液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術</p><p>　　關鍵字：機械手;氣動;自由度；</p><p>　　Connecting rod loading mani

5、pulator design</p><p><b>　　Abstract:</b></p><p>　　Industrial robot is developed in recent decades as a high-tech automated production equipment. Industrial robot manipulator is an im

6、portant branch of industry. Mainly describes the design of the mechanical hand calculation. This more comprehensive discussion of the industrial robot hand and wrist, arm stretching up and rotating bodies and agencies an

7、d other major components of the structural design. . Modern automatic control of industrial robots is a new emerging field of technology, and has be</p><p>　　Keywords: manipulator，pneumatic，freedom</p>

8、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1機械手的基本概念1</p><p>　　1.2 國內外的發(fā)展狀況1</p><p>　　1.3機械手特點、研究意義2</p><p>　

9、　1.3.1 機械手的特點2</p><p>　　1.3.2機械手的研究意義2</p><p>　　1.4機械手的組成3</p><p>　　1.4.1機械手的組成3</p><p>　　1.5設計任務介紹及意義3</p><p>　　第二章 機械手總體結構的確定4</p><p>

10、;　　2.1 機械手的運動自由度4</p><p>　　2.2 工作空間的確定4</p><p>　　2.3額定負載的確定4</p><p>　　2.4機械手結構形式的確定4</p><p><b>　　2.5運動速度5</b></p><p>　　2.6 定位精度6</p>

11、;<p>　　2.7 機械手的技術參數(shù)列表6</p><p>　　2.8機械傳動系統(tǒng)設計6</p><p>　　第三章 手部結構設計8</p><p>　　3.1夾持式手部結構8</p><p>　　3.1.1手指的形狀和分類8</p><p>　　3.1.2設計時考慮的幾個問題8</

12、p><p>　　3.1.3手部夾緊氣缸設計9</p><p>　　第四章 手腕結構設計13</p><p>　　4.1 手腕的自由度13</p><p>　　4.2 手腕的驅動力矩的計算14</p><p>　　4.2.2回轉氣缸的驅動力矩計算16</p><p>　　4.2.3 手腕回轉

13、缸的尺寸16</p><p>　　第五章 手臂伸縮，升降，尺寸設計與校核16</p><p>　　5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核16</p><p>　　5.2縱向氣缸的設計18</p><p>　　5.3導向裝置21</p><p>　　5.4 平衡裝置21</p><p>　

14、　第六章 總結22</p><p>　　第七章 致謝23</p><p><b>　　參考文獻24</b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1機械手的基本概念</p><p>　　機械手，屬工業(yè)機器人的范疇，機器人學是近幾

15、十年來迅速發(fā)展起來的一門綜合學科。它集中了機械工程、電子工程、計算機科學、自動控制以及人工智能等多種學科的最新研究成果，體現(xiàn)了光機電一體化技術的最新成就，是當代科學技術發(fā)展最活躍的領域之一，也是我國科技界跟蹤國際高技術發(fā)展的重要課題。</p><p>　　“機械手”（manipulator）：多數(shù)指附屬于主機、程序固定的自動抓取、操作裝置（國內一般稱作機械手或專用機械手）。</p><p>

16、;　　一個完整的氣壓系統(tǒng)是由以下幾部分組成的：</p><p>　　(1)能源部分。包括泵裝置和蓄能器，它們能夠輸出氣體，把原動機的機械能轉變?yōu)闅怏w壓力能，并儲存起來。</p><p>　　(2)執(zhí)行機構部分。是氣缸、氣動機等，它們用來帶動運動部件，將氣體壓力能轉變成使部件運動的機械能。</p><p>　　(3)控制部分。是各種液壓閥，用于控制流體的壓力、流量和流

17、動方向，從而控制執(zhí)行部件的作用力、運動速度和運動方向，也可以用來卸載，實現(xiàn)過載保護等。</p><p>　　(4)輔助部分。是系統(tǒng)中除了上述三部分以外的所有其他元件，如油箱、壓力表、管路等。</p><p>　　液壓系統(tǒng)中機械手主要實現(xiàn)的輔助功能：</p><p>　　(1)機械手的伸、縮、回轉和工件的松開和拉緊動作等。</p><p>　　

18、(2)工件的自動松開、夾緊。</p><p>　　(3)工作臺的松開夾緊、交換工作臺的自動交換動作。</p><p>　　(4)機械手的運動部件平衡。如機械手軸箱的重力平衡、機械手的平衡裝置等。</p><p>　　(5)機械手運動部件的制動和離合器的控制、齒輪撥又換擋等。</p><p>　　(6)機械手的自動開關。</p>

19、<p>　　液壓系統(tǒng)在機械手中所起的作用是通過電一氣轉換元件把控制信號進行功率放大，對氣壓動力機構進行方向、位置和速度的控制，進而控制機械手的手臂按給定運動規(guī)律動作。氣壓動力機構多數(shù)情況下采用直線氣壓缸或擺動氣壓缸，用于實現(xiàn)手臂的伸縮、升降以及手腕的回轉。</p><p>　　1.2 國內外的發(fā)展狀況</p><p>　　專用機械手經過幾十年的發(fā)展，如今已進入了以通用機械手為標志

20、的時代。通用機械手可以應用于更加多的場合，從而節(jié)約了不少的開發(fā)以及設計的成本。由于通用機械手的發(fā)展，進而促進了智能機器人的研制。通用機械手涉及的內容，不僅包括一般的機械、液壓、氣動等基礎知識，而且還應用了一些電子技術、電視技術、通訊技術、計算技術、無線電控制、仿生學等，因此它是一項綜合性較強的技術。目前國內外對發(fā)展這一技術都很重視。幾十年來，這項技術的研究和發(fā)展一直比較活躍，設計在不斷的修改，品種在不斷的增加，應用領域在不斷的擴大。雖然

21、在這方面相對于發(fā)達國家還有點落后，但是國內現(xiàn)在也越來越感覺到機械手的重要性，國家大力支持相關的設計及產品的開發(fā)。在機器人的發(fā)展以及機械手的設計上也取得了一定的成果，國內每年都將舉行機器人大賽，以增加研發(fā)單位的交流與合作。</p><p>　　目前國內外的發(fā)展趨勢是：</p><p>　　(1)研制有更多自由度的液壓機械手，這樣機械手就可以變得更加的靈活，從而完成更加多的動作。</p&

22、gt;<p>　　(2)研制帶有行走機構的機械手，這種機械手可以從一個工作地點移動到另一個工作地點。</p><p>　　(3)研制維修維護方便的通用機械手。</p><p>　　(4)研制能自動編制和自動改變程序的通用機械手。</p><p>　　(5)研制具有一定感觸和一定智力的智能機械手。這種機械手具有各種傳感裝置，并配有計算機。根據(jù)仿生學的理論

23、，用計算機充當其大腦，使它進行思考和記憶。用聽筒和聲敏元件作為耳朵能聽，用揚聲器作為嘴能說話進行應答，用熱電偶和電阻應變儀作為觸覺和感觸。用滾輪或者雙足式機構腳來實現(xiàn)自動移位。這樣的智能機械手可以由人的特殊語言對其下達命令，布置任務，使自動化生產線成為智能化生產線。</p><p>　　(6)機械手的外觀達到美觀的要求，盡量用最簡單的結構和設備能完成更加多的動作。</p><p>　　(7

24、)研制具有柔性系統(tǒng)的通用機械手</p><p>　　目前，在國外廣泛應用的再現(xiàn)式通用機械手，雖然一般也都有記憶裝置，但其程序都是預先編好的，或由人在工作之前領動一次，而后機械手可以按領動的工作內容正確進行再現(xiàn)動作。如果把這種再現(xiàn)式通用機械手稱為第二代機械手的話，那么現(xiàn)在處于研制階段的智能機械手就是第三代了?，F(xiàn)在研究的機械手正在朝著一種可以存儲大量的程序的并且可以改變并重新寫入程序的方向發(fā)展，而且機械手具有比原來的

25、更多的自由度?，F(xiàn)在國內具有越來越強的自主研發(fā)的單位，我相信在不久的將來，我國一定能夠趕上并將且超越發(fā)達國家在機械手乃至整個機械方面處于領先地位。</p><p>　　1.3機械手特點、研究意義</p><p>　　1.3.1 機械手的特點</p><p><b>　　(1)通用性</b></p><p>　　機器人的通用

26、性指具有執(zhí)行不同功能和完成多樣簡單任務的實際能力；通用性也意味著，機器人是可變的幾何結構?；蛘哒f在機械結構上允許機器人執(zhí)行不同的任務或以不同的方式完成同一工作。</p><p><b>　　(2)適應性</b></p><p>　　機器人的適應性是指具有對環(huán)境的自適應能力，及機器人能夠自主執(zhí)行實現(xiàn)經規(guī)劃的中間任務，而不管執(zhí)行過程中所發(fā)生的沒有預計到的環(huán)境變化。<

27、/p><p>　　1.3.2機械手的研究意義</p><p>　　隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，機械手的應用也越來越廣泛。在機械工業(yè)中，大量應用于鑄、鍛、焊、沖、熱處理、機械加工以及裝配等工種。在其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工種中也均有應用。</p><p>　　在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：</p><p>　　(1)可以提高

28、生產過程的自動化程度。</p><p>　　(2)應用機械手有利于在自動生產線中實現(xiàn)材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換、以及機器的裝配等的自動化程度，從而提高勞動生產率，降低生產成本。</p><p>　　(3)可以改善勞動條件，避免人身事故。</p><p>　　應用機械手在高溫、高壓、低溫、低壓、噪聲、臭味、有放射性物質的環(huán)境場合可部分或者全部代替人完成作業(yè)，使

29、勞動條件得以改善。</p><p>　　(4)可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產。應用機械手代替人手進行作業(yè)，這是直接減少人力的一個重要方面。</p><p>　　(5)運用機械手可以實現(xiàn)連續(xù)的生產，而大大提高在生產線的工作的時間，從而能大幅提高勞動的生產率。</p><p>　　綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。</p><p

30、><b>　　1.4機械手的組成</b></p><p>　　1.4.1機械手的組成</p><p>　　機械手主要由執(zhí)行機構、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及位置檢測裝置等所組成。各系統(tǒng)相互之間的關系如方框圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 機械手的組成示意圖</p><p>　　1.5設計任務介紹及意義<

31、/p><p>　　通過課程設計培養(yǎng)學生綜合運用所學知識的能力，提高分析和解決問題能的一個重要環(huán)節(jié)，專業(yè)課程設計是建立在專業(yè)基礎課和專業(yè)方向課的基礎的，是學生根據(jù)所學課程進行的工程基本訓練，課程設計的意義在于：</p><p>　　(1)培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論和專業(yè)知識，獨立進行機電控制系統(tǒng)（產品）的初步設計工作，并結合設計或試驗研究課題進一步鞏固和擴大知 識領域。</p>

32、<p>　　(2)培養(yǎng)學生搜集、閱讀和綜合分析參考資料，運用各種標準和工具書籍以及編寫技術文件的能力，提高計算、繪圖等基本技能。</p><p>　　(3)培養(yǎng)學生掌握機電產品設計的一般程序方法，進行工程師基本素質的訓練。</p><p>　　(4)樹立正確的設計思想及嚴肅認真的工作作風。</p><p>　　第二章 機械手總體結構的確定</p&

33、gt;<p>　　2.1 機械手的運動自由度</p><p>　　物體上任何一點都與坐標軸的正交集合有關。物體能夠對坐標系進行獨立運動的數(shù)目稱為自由度（DOF degree of freedom）。自由度是指描述物體運動所需的獨立坐標數(shù)，三維空間需要6個自由度。物體所能進行的運動有沿著坐標軸的三個平移自由度和繞坐標軸的三個旋轉自由度。</p><p>　　一般固定程序的機械手

34、，動作比較簡單，自由度數(shù)較少。工業(yè)機器人自由度數(shù)較多，動作靈活性和通用性較大。一般說來，機器人靠近機座的3個自由度是用來實現(xiàn)手臂末端的空間位置的，再用幾個自由度來定出末端執(zhí)行器的方位；7個以上的自由度是冗余自由度，是用來躲避障礙物的。</p><p>　　自由度的選擇也與生產要求有關，若批量大，操作可靠性要求高，運行速度快，周圍設備構成比較復雜，工件質量輕時，機械手的自由度數(shù)可少；如果要便于產品更換，增加柔性，則

35、機械手的自由度要多一些。</p><p>　　計算機械手的自由度時，末端執(zhí)行器的夾持器動作是不計入的，因為這個動作不改變工件的位置和姿態(tài)。在滿足機械手工作要求前提下，為簡化機械手的結構和控制，應使自由度數(shù)最少。</p><p>　　本設計的通用機械手的結構相對比較簡單，自由度選擇為四個。分別為大臂回轉、大臂升降、小臂回轉和小臂伸縮。分別由大臂回轉油缸、大臂升降油缸、小臂回轉油缸和小臂伸縮油

36、缸控制。</p><p>　　2.2 工作空間的確定</p><p>　　工作空間是指機械手正常工作時，手腕參考點在空間活動的最大范圍，依據(jù)機械手工作范圍和運動軌跡確定。工作空間大小不僅與機器人各桿件尺寸有關，而且也與它的總體構形有關。在工作空間內要考慮桿件自身的干涉，防止與作業(yè)環(huán)境發(fā)生碰撞。此外在工作空間內某些位置，機械手不可能達到預定的速度，甚至不能在某些方向上運動，即所謂工作空間的奇

37、異性。</p><p>　　本機械手的工作空間要求為：手臂伸縮行程范圍0~500mm，手臂升降行程范圍最大0～300mm，手臂回轉行程范圍0º~240º。 </p><p>　　2.3額定負載的確定</p><p>　　承載能力說明機械手搬運重物的能力，負載大小主要考慮機械手各運動軸上的受力和力矩，末端執(zhí)行器的重量，抓取工件的重量，以及由運動速度

38、變化而產生的慣性力和慣性力矩。</p><p>　　本設計要求能夾持重量為100N的物體，考慮末端執(zhí)行器的重量及各運動軸上的受力和力矩，以及考慮足夠的安全系數(shù)，初步確定設計負載為1500N。</p><p>　　2.4機械手結構形式的確定</p><p>　　本畢業(yè)設計是通用機械手，要求有較高的定位精度和較高的耐用度，其結構形式方案一般有以下幾種:</p>

39、;<p>　　表2-1 機械手結構選型表【7】</p><p><b>　　2.5運動速度</b></p><p>　　機器人手臂的運動速度是其主要運動參數(shù)之一。它反映了機器人手臂的作業(yè)水平，運動速度的快慢與它的驅動方式、定位方式、抓去質量大小和行程距離有關，作業(yè)機器人手臂的運動速度應根據(jù)生產節(jié)拍、生產過程的平穩(wěn)性和定位精度等要求來確定。</p&g

40、t;<p>　　目前，工業(yè)機器人的最大直線運行速度大部分為1000mm/s左右；最大回轉速度110º/s左右。在本次設計中選定手臂伸縮速度500 mm /s，手臂升降速度300mm/s，手臂回轉速度90º／s，手腕回轉速度180º/s，驅動方式為電-液伺服系統(tǒng)。</p><p>　　作為機器人規(guī)格參數(shù)的運動速度是指全程的平均速度，實際使用速度可以在一定的范圍內調節(jié)。&l

41、t;/p><p><b>　　2.6 定位精度</b></p><p>　　定位精度是衡量機器人工作質量的又一項重要指標，一般所說的定位精度是指重復精度，與抓取質量、運動速度、定-位方式等也有密切關系。目前，專用機械手采用固定擋塊定定位精度取決于位置控制方式及機器人本體部件的結構剛度與精度位方式可達到較高的定位精度（大約為mm），采用行程開關、電位計等電器元件控制的位置精

42、度相對較低，大約為mm。伺服控制系統(tǒng)的機器人是一種位置跟蹤系統(tǒng)，即使在高速重載的情況下，也可不發(fā)生劇烈的沖擊和振動，因此可獲得較高的定位精度，重復定位精度最高可達到0.01mm。</p><p>　　2.7 機械手的技術參數(shù)列表</p><p><b>　　1、抓重：10公斤</b></p><p>　　2、自由度數(shù)：4個自由度</p&g

43、t;<p>　　3、座標型式：圓柱座標 </p><p>　　4、最大工作半徑：1500mm</p><p>　　5、手臂最大中心高：1380mm</p><p>　　6、手臂運動參數(shù)：縮行程600mm，伸縮速度500mm/s，升降行程200mm，</p><p>　　升降速度300mm/s，回轉范圍00 -2400，轉速度

44、900/s</p><p>　　7、手腕運動參數(shù)：回轉范圍 00--1800，轉速度1800/s</p><p>　　8、手指夾持范圍：片料:面積不大于0. 5㎡</p><p>　　9、定位精度：士0. 5mm</p><p>　　10、緩沖方式：液壓緩沖器</p><p>　　11、傳動方式：氣壓傳動</p&

45、gt;<p>　　2.8機械傳動系統(tǒng)設計</p><p>　　對氣缸結構的要求一是重量盡量輕，以達到動作靈活、運動速度高、節(jié)約材料和動力，同時減少運動的沖擊，二是要有足夠的剛度以保證運動精度和定位精度</p><p>　　圖2-1氣缸設計流程圖</p><p>　　單活塞桿氣缸是各類氣缸中應用最廣的一種氣缸。由于它只在活塞的一端有活塞桿，活塞兩側承受氣

46、壓作用 的面積不等，因而活塞桿伸出時的推力大于退回時的拉力。雙活塞桿氣缸活塞兩側都有活塞桿，兩側受氣壓作用的面積相等， 活塞桿伸出時的推力和退回時的拉力相等。</p><p>　　單作用氣缸是由一側氣口供給氣壓驅動活塞運動，依靠彈簧力、外力或自重等作用返回；而雙作用氣缸是由兩側供氣口交替供給氣壓使活塞作往復運動。</p><p>　　第三章 手部結構設計</p><p

47、>　　為了使機械手的通用性更強，把機械手的手部結構設計成可更換結構，當工件是棒料時，使用夾持式手部。如果有實際需要，還可以換成氣壓吸盤式結構或電磁式吸盤結構。手爪是機械手直接用下抓取和握緊(或吸附)工件夾持專用工具(如噴槍。扳子、焊接工具)進行操作的部件。它具有模仿人手動作的功能，并安裝于機械手手臂的前端，所示為齒輪齒條式手部結構。其手指夾緊工件是由夾緊氣缸中的齒條活塞桿在壓縮空氣作用下右移，經齒條推動齒輪并帶動扇形齒輪回轉，因手

48、指與扇形齒輪固結為一體，所以兩個手指同時回轉而夾緊工件。由于采用單向作用油缸，故靠彈簧復位，使手指張開。手部結構中的齒輪齒條屬于傳力機構。</p><p>　　3.1夾持式手部結構</p><p>　　夾持式手部結構由手指(或手爪)和傳力機構所組成。其傳力形式比較多，如滑槽杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式等。</p><p>　　3.1.1手指的形狀和分類

49、</p><p>　　夾持式是最常見的一種，其中常用的有兩指式、多指式和雙手雙指式:按手指夾持工件的部位又可分為內卡式(或內漲式)和外夾式兩種:按模仿人手手指的動作，手指可分為一支點回轉型，二支點回轉型和移動型(或稱直進型)，其中以二支點回轉型為基本型式。當二支點回轉型手指的兩個回轉支點的距離縮小到無窮小時，就變成了一支點回轉型手指;同理，當二支點回轉型手指的手指長度變成無窮長時，就成為移動型?；剞D型手指開閉角較

50、小，結構簡單，制造容易，應用廣泛。移動型應用較少，其結構比較復雜龐大，當移動型手指夾持直徑變化時不影響其軸心的位置，能適應不同直徑的工件。</p><p>　　3.1.2設計時考慮的幾個問題</p><p>　　(1)具有足夠的握力(即夾緊力)</p><p>　　在確定手指的握力時，除考慮工件重量外，還應考慮在傳送或操作過程中所產生的慣性力和振動，以保證工件不致產

51、生松動或脫落。</p><p>　　(2)手指間應具有一定的開閉角</p><p>　　兩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。手指的開閉角應保證工件能順利進入或脫開，若夾持不同直徑的工件，應按最大直徑的工件考慮。對于移動型手指只有開閉幅度的要求。</p><p>　　(3)保證工件準確定位</p><p>　　為使手指和被

52、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。</p><p>　　(4)具有足夠的強度和剛度</p><p>　　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生的慣性力和振動的影響，要求有足夠的強度和剛度以防折斷或彎曲變形，但應盡量使結構簡單緊湊，自重輕，并使手部的中心在手腕的回轉軸線上，以

53、使手腕的扭轉力矩最小為佳。</p><p>　　(5)應考慮被抓取對象的要求</p><p>　　抓取形狀 手指形狀應根據(jù)工件形狀而設計。如工件為圓柱形．則采用“V”形手指；圓球狀工件用圓弧形三指手指，方料用平面形手指，細絲工件用尖指勾形或細齒鉗爪手指。總之應根據(jù)工件形狀來選定手指形狀。</p><p>　　抓取部位 抓取部位的尺寸盡可能是不變的．若加工后尺寸有

54、變化，手指應能適應尺寸變化的要求，否則不允許定為抓取部位。對于工件表面質量要求高的，抓取時盡量避開高質量表面或在手指上加軟質墊片(如橡皮．抱沫塑料．石棉襯墊等)，以防夾持時損壞工件。</p><p>　　抓取數(shù)量 若用一對手指抓取多個工件，為了不發(fā)生個別工件的松動或脫落現(xiàn)象，在手指上可增加彈性襯墊，如橡皮、泡沫、塑料等 ，對于較長工件可采用雙指或多指抓取。</p><p>　　(6)應考

55、慮手指的多用性</p><p>　　手指是專用性較強的部件，為適應小批量多品種工件的不同形狀和尺寸的要求，可制成組合式的手指，對于這種手指要求結構簡單，安裝維修方便，更換迅速和準確，以便擴大機械手的使用范圍。</p><p>　　3.1.3手部夾緊氣缸設計</p><p>　　(1)手部驅動力計算</p><p>　　手指加在工件上的夾緊力，

56、是設計手部的主要依據(jù)。必須對其大小、方向和作用點進行分析、計算。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化所產生的載荷(慣性力或慣性力矩)，以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。</p><p>　　手指對工件的夾緊力可按下式計算：</p><p><b>　　(公式3.1)</b></p><p>　　式中 ——安全系數(shù)，通

57、常取1.2-2.0；</p><p>　　——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可用下式估算</p><p><b>　　(公式3.2)</b></p><p>　　其中 a——運載工件時重力方向的最大升加速度</p><p>　　g——重力加速度 </p><p>　　——方位系數(shù)，根據(jù)手

58、指與工件形狀以及手指與工件位置不同進行選定。</p><p><b>　　(公式3.3)</b></p><p><b>　　f——摩擦系數(shù)</b></p><p>　　G——選取工件所受的重力（N）</p><p><b>　　將已知條件代入得：</b></p>

59、<p>　　圖3.1機械手夾持器</p><p><b>　　氣缸的內徑</b></p><p>　　根據(jù)手指的幾何關系得：</p><p>　　由設計任務可以知道，要驅動的負載大小位100Kg，考慮到氣缸未加載時實際所能輸出的力，受氣缸活塞和缸筒之間的摩擦、活塞桿與前氣缸之間的摩擦力的影響。在研究氣缸性能和確定氣缸缸徑時，常用到負

60、載率β：</p><p>　　由《液壓與氣壓傳動技術》表11-1：取β=0.45運動狀態(tài)與負</p><p><b>　　表3-1氣缸的載率</b></p><p><b>　　根據(jù)氣缸的結構得：</b></p><p><b>　　D－活塞直徑，m</b></p>

61、;<p><b>　　d-活塞桿直徑,m</b></p><p>　　p-使用壓力, Pa </p><p>　　F-彈簧反作用力，N</p><p><b>　　(公式3.4)</b></p><p>　　估算時取d=0.3D, =40N, P=0.5 。代入上式得：</p&g

62、t;<p>　　按照GB/T2348-1993標準進行圓整，取D=36 mm</p><p>　　表3-2氣缸內徑尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）/mm</p><p>　　注：括號內的公稱壓力值為非優(yōu)先采用值</p><p><b>　　活塞桿直徑</b></p><p>　　由d=0.3D 估

63、取活塞桿直徑 d=25 mm</p><p><b>　　表3-3氣缸筒壁厚</b></p><p>　　表3-4氣缸活塞桿外徑尺寸系列（摘自GB/T2348-1993）/mm</p><p>　　(4) 缸筒長度的確定：</p><p>　　缸筒長度S=L+B+20</p><p>　　L為活塞

64、行程；B為活塞厚度</p><p>　　活塞厚度B=(0.20 0.25)D= 0.20 80=16mm</p><p>　　由于氣缸的行程L=200mm ,所以S=L+B+20=236 mm</p><p>　　氣缸筒的壁厚的確定:</p><p>　　由《液壓氣動技術速查手冊》知：一般氣缸缸筒與內徑之比 ，其壁厚通常按薄壁筒公式計算.通常

65、計算出的壁厚往往很薄，考慮機械加工工藝性，往往將缸筒壁厚適當加厚，且盡量選用標準內徑和壁厚的鋼管與鋁合金管。下圖所列缸筒壁厚可供參考。</p><p>　　假設所選材料為無縫鋼管，則由表知</p><p>　　(6)氣缸的進、排氣口計算</p><p>　　通常氣缸的進、排氣口的直徑大小與氣缸速度有關，根據(jù)ISO-15552、ISO-7180。氣缸的進、排氣口的直徑

66、見下表（ISO標準規(guī)定）</p><p>　　查此表可知，氣缸的進、排氣口的規(guī)格為 </p><p>　　第四章 手腕結構設計</p><p>　　4.1 手腕的自由度</p><p>　　手腕是連接手部和手臂的部件，它的作用是調整或改變工件的方位，因而它具有獨立的自由度，以使機械手適應復雜的動作要求。如圖4—1所示的手腕運動有繞X軸轉動稱回

67、轉運動，繞y軸轉動稱為上下擺動(或俯仰)，繞Z軸轉動稱為左右擺動，沿y軸方向的橫向移動(或沿Z軸方向縱向移動)。因此手腕最多具有四個獨立運動即四個自由度。</p><p>　　手腕自由度的選用與機械手的通用性，加工工藝要求，工件放置方位和定位精度等許多因素有關，一般手腕沒有回轉運動或再增一個上下擺動即可滿足工作的要求，也有的專用機械手沒有手腕的運動，若有特殊要求的可增加手腕左右擺動或沿y軸方向的橫向移動。<

68、/p><p>　　手腕自由度的選用與機械手的通用性、加工工藝要求、工件放置方位和定位精度等許多因素有關。由于本機械手抓取的工件是水平放置，同時考慮到通用性，</p><p>　　因此給手腕設一繞x軸轉動回轉運動才可滿足工作的要求目前實現(xiàn)手腕回轉運動的機構，應用最多的為回轉油(氣)缸，我們選用的是回轉油缸。它的結構緊湊，回轉角度為0—180º，手腕回轉速度180º/s，并且要

69、求嚴格的密封。</p><p>　　4.2 手腕的驅動力矩的計算</p><p>　　4.2.1手腕轉動時所需的驅動力矩</p><p>　　手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產生的

70、偏重力矩. </p><p>　　手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算:</p><p><b>　?。ü?.1）</b></p><p>　　式中: - 驅動手腕轉動的驅動力矩();</p><p>　　- 慣性力矩();</p><p>　　- 參與轉動的零部件的重量(包括工件、手部、

71、手腕回轉缸的動片)對轉 </p><p>　　動軸線所產生的偏重力矩().,</p><p>　　- 手腕回轉缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力</p><p><b>　　矩();</b></p><p>　　下面以圖4-2所示的手腕受力情況，分析各阻力矩的計算:</p>

72、<p>　　(1)手腕加速運動時所產生的慣性力矩</p><p>　　若手腕起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為，起動過程所用的時間為，則:</p><p><b>　?。ü?.2）</b></p><p>　　式中:- 參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量</p><p>　　- 工件對手腕轉動

73、軸線的轉動慣量。</p><p>　　若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量為:</p><p><b>　?。ü?.3）</b></p><p>　　式中: - 工件對過重心軸線的轉動慣量；</p><p>　　- 工件的重量(N)；</p><p>　　- 工件的重心到轉動軸線的偏心距(cm

74、),</p><p>　　- 手腕轉動時的角速度(弧度/s)；</p><p>　　- 起動過程所需的時間(s)；</p><p>　　— 起動過程所轉過的角度(弧度)。</p><p>　　(2)手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏</p><p>　　+ ()

75、 (公式4.4)</p><p>　　式中: - 手腕轉動件的重量(N)；</p><p>　　- 手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距(cm)</p><p>　　當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則。</p><p>　　(3)手腕轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 </p><p>　　()

76、 (公式4.5)</p><p>　　式中: ，- 轉動軸的軸頸直徑(cm)；</p><p>　　- 摩擦系數(shù)，對于滾動軸承，對于滑動軸承；</p><p>　　,- 處的支承反力(N)，可按手腕轉動軸的受力分析求解，</p><p><b>　　根據(jù),得:</b></p><p

77、><b>　　(公式4.6)</b></p><p>　　同理，根據(jù)(F),得:</p><p>　　式中:- 手部的重量(N)</p><p>　　,—長度尺寸(cm).</p><p>　　(4)回轉氣缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩M封，與選用的密襯裝置的類型有關，應根據(jù)具體情況加以分析。&

78、lt;/p><p>　　4.2.2回轉氣缸的驅動力矩計算</p><p>　　在機械手的手腕回轉運動中所采用的回轉缸是單葉片回轉氣缸，它的原理如圖4-3所示，定片1與缸體2固連，動片3與回轉軸5固連。動片封圈4把氣腔分隔成兩個.當壓縮油從孔a進入時，推動輸出軸作逆時針方向回轉，則低壓腔的油從b孔排出。反之，輸出軸作順時針方向回轉。單葉片回轉氣缸的壓力P和驅動力矩M的關系為:</p>

79、<p>　　, 或 (公式4.7)</p><p>　　4.2.3 手腕回轉缸的尺寸</p><p><b>　　尺寸設計</b></p><p>　　設計油缸內徑為,半徑R,軸徑D,半徑R,油缸運行角速度，加速度時間，回轉油缸的工作壓力為。</p><p>&

80、lt;b>　　則力矩：</b></p><p><b>　　(公式4.8)</b></p><p>　　第五章 手臂伸縮，升降，尺寸設計與校核</p><p>　　5.1手臂伸縮氣缸的尺寸設計與校核</p><p>　　由設計方案可以知道，橫向氣缸1不僅要承受負載10kg的重量，還要承受氣缸3及手指部分

81、的重量，假設此重量為負載的十分之一，即5kg。則縱向氣缸實際的負載F=150N。進一步求的理論負載 </p><p><b>　　氣缸的內徑</b></p><p><b>　　(公式5.1)</b></p><p>　　查表后得：D=40mm。</p><p><b>　　活塞桿直徑&l

82、t;/b></p><p>　　由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=18 mm</p><p>　　查表后得：d=20mm</p><p>　　(3) 缸筒長度的確定：</p><p>　　缸筒長度S=L+B+20</p><p>　　L為活塞行程；B為活塞厚度</p><p>　　活塞厚

83、度B=(0.20 0.25)D= 0.20 40=8mm</p><p>　　由于氣缸的行程L=500mm ,所以S=L+B+20=628 mm</p><p><b>　　氣缸筒的壁厚的確定</b></p><p>　　選用無縫鋼管為材料，查表得：</p><p>　　(5)氣缸的進、排氣口計算</p>

84、<p>　　查表可知，氣缸的進、排氣口的規(guī)格為 3.2.4活塞桿的強度校核</p><p>　　機械手爪的重量約為：5Kg。 工件重量為：10Kg。</p><p>　　圖3-5 活塞桿的受力分析</p><p>　　如圖3-5所示，由靜力平衡方程[8] ΣMB=0 R1·LAB －Q·LBC=0 (公 式5.2)

85、</p><p>　　ΣMA=0 R2·LAB － Q·LAC=0 (公式5.3)</p><p><b>　　求得支反力為：</b></p><p><b>　　R1=703N</b></p><p><b>　　R2=278N</b></

86、p><p>　　以A點為坐標原點，得剪力圖3-6和彎矩圖3-7如下：</p><p><b>　　圖3-6 剪力圖</b></p><p><b>　　圖3-7 彎矩圖</b></p><p>　　由表得活塞桿[τ]=140MPa, [σ]=240MPa.</p><p>　　

87、則在B處橫截面上的剪應力為：</p><p>　　τB= R2/A= 安全</p><p><b>　　在B處的彎應力為：</b></p><p>　　σB= MB/A= 安全。</p><p>　　5.2縱向氣缸的設計</p><p><b>　　(1)氣缸的內徑</b

88、></p><p>　　根據(jù)機械手結構關系得：</p><p><b>　　(公式5.4)</b></p><p><b>　　根據(jù)氣缸的結構得：</b></p><p>　　估算時取d=0.3D, P=0.7 。代入上式得：</p><p>　　按照GB/T2348-

89、1993標準進行圓整，取D=63mm</p><p><b>　　(2)活塞桿直徑</b></p><p>　　由d=0.3D 估取活塞桿直徑 d=18 mm</p><p>　　(3)缸筒長度的確定：</p><p>　　缸筒長度S=L+B+20</p><p>　　L為活塞行程；B為活塞厚度&

90、lt;/p><p>　　活塞厚度B=(0.20 0.25)D= 0.20 63=10mm</p><p>　　由于氣缸的行程L=200mm ,所以S=L+B+20=232mm</p><p>　　(4)氣缸筒的壁厚的確定:</p><p>　　假設所選材料為無縫鋼管，則由表知</p><p>　　(5)氣缸的進、排氣口計算

91、</p><p>　　查表可知，氣缸的進、排氣口的規(guī)格為 </p><p>　　(2)計算作用在活塞上的總機械載荷</p><p>　　機械手手臂移動油缸的受力簡圖如圖5-1所示。作用在活塞上的總機械載荷P為：</p><p><b>　　(公式5.5)</b></p><p>　?、俟ぷ髯枇Γ汗?/p>

92、作阻力的數(shù)值要根據(jù)油缸工作的具體情況確定有無，并進行計算或估算。</p><p>　　在此為完成搬運工件的伸縮油缸，故不受工作阻力，即為0。</p><p>　?、趯蜓b置處的摩擦阻力：不同配置和不同的導向截面形狀，其摩擦阻力不同，要根據(jù)具體情況進行估算。</p><p>　　本設計如圖5-1所示的是雙向桿導向，其導向桿截面形狀是圓柱面。導向桿對稱配置在氣缸的兩側，

93、并布置在過氣缸活塞桿的平面內。 </p><p>　　③密封裝置處的摩擦阻力</p><p>　　在壓力油驅動活塞運動時，各密封裝置處摩擦阻力之和為，即</p><p><b>　　(公式5.6)</b></p><p>　　分別為活塞桿和缸蓋處、活塞與缸壁處、伸縮氣管處等密封裝置處的摩擦阻力，其值隨密封圈結構的不同而異

94、。</p><p><b>　　④慣性力</b></p><p>　　機械手的手臂在起動時，活塞桿上所受到的平均慣性力，可近似計算如下：</p><p><b>　　(公式5.7)</b></p><p>　　式中： —參與運動的零部件的總重量（包括被抓物件重量）</p><p

95、><b>　　g—重力加速度</b></p><p><b>　　—速度變化量</b></p><p><b>　　—啟動過程的時間</b></p><p><b>　　⑤背壓阻力</b></p><p>　　背壓阻力為氣缸低壓氣體所造成的阻力。一般

96、背壓阻力較小，可按計算。</p><p><b>　　由于，故。</b></p><p>　　所以： </p><p><b>　　(3)氣缸的校核</b></p><p>　　a)計算氣缸可以產生的輸出力</p><p>　　已知氣缸的直徑D=63mm

97、，氣缸的工作壓力p=0.7Mpa。</p><p>　　則有機械設計手冊表12-9：</p><p>　　可以算出氣缸所產生的推力P≈0.65p=0.65×63mm×63mm×0.7Mpa =1805.895N</p><p>　　氣缸可以產生的拉力≈0.6p=1666.98N</p><p>　　b）計算機械手

98、臂所產生的重力</p><p>　　機械手爪的重量約為：5Kg；工件重量為：10Kg；驅動手爪開合氣缸的重量為1.45 Kg；伸縮氣缸的重量為6.6 Kg；機械手臂的安裝底座和以及導向桿支架等其他零件的總重量約為150 Kg。</p><p>　　機械手臂總體產生的重力G=mg=1723.08N</p><p>　　氣缸所產生的推力P＞機械手臂總體產生的重力G，所以

99、氣缸能夠推動手臂而完成手臂的升降運動。</p><p><b>　　5.3導向裝置</b></p><p>　　氣壓驅動的機械手臂在進行伸縮運動時，為了防止手臂繞軸線轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂結構時，應該采用導向裝置。具體的安裝形式應該根據(jù)本設計的具體結構和抓取物體重量等因素來確定，同時在結構設計和布局上

100、應該盡量減少運動部件的重量和減少對回轉中心的慣量。目前導向桿常采用的裝置有單導向桿，雙導向桿，四導向桿等，在本設計中采用雙向導向桿來增加手臂的剛性和導向性。</p><p><b>　　5.4 平衡裝置</b></p><p>　　在本設計中，為了使手臂的兩端能夠盡量接近重力矩平衡狀態(tài)，減少手抓一側重力矩對性能的影響，故在手臂伸縮氣缸一側加裝平衡裝置，裝置內加放砝碼，

101、砝碼塊的質量根據(jù)抓取物體的重量和氣缸的運行參數(shù)視具體情況加以調節(jié)，務求使兩端盡量接近平衡。</p><p><b>　　第六章 總結</b></p><p>　　本次畢業(yè)設計是在學完大學的基礎知識和專業(yè)知識，進行了一系列的生產實習和以前各次課程設計的基礎上進行的一次綜合性的大總結。旨在培養(yǎng)我們綜合運用所學的基礎知識、專業(yè)知識去分析和解決生產實際問題的能力及培養(yǎng)正確的

102、設計思想，并通過運用設計標準、規(guī)范、手冊、圖冊、和查閱有關技術資料去進行理論計算、結構思考、繪制圖樣、寫相關說明性材料，培養(yǎng)我們機械設計的基本技能和工程設計工作者的基本素質，為我們走上工作崗位打下堅實的基礎。本次畢業(yè)設計課題為液壓通用機械手。隨著生產率水平的提高，人們對產品精度和質量要求越來越來嚴格，企業(yè)生產線的自動化程度要求越來越高，工業(yè)機械手已成為多數(shù)企業(yè)生產線上必不可少的設備。此次設計的機械手各組成部分有：手爪、手腕、手臂、機身、

103、機座等。并對其進行了嚴謹、詳細的設計、計算、校核和繪圖。由于自身缺乏實踐經驗，而且本次設計內容較多，任務繁重，而且這方面的資料少，加重了設計的難度。所以在設計中難免會出現(xiàn)一些的錯誤，還請各位老師斧正。</p><p>　　總之，我希望通過本次畢業(yè)設計對自己未來將從事的工作進行一次適應性的訓練，從中鍛煉自己分析問題、解決問題的能力，為將來的工作打下一個良好的基礎。</p><p><b

104、>　　第七章 致謝</b></p><p>　　本次設計是在我尊敬的姚老師悉心指導下完成的。老師嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度使我受益匪淺。在此，我首先向導師表示誠摯的感謝，并致以崇高的敬意! 本次畢業(yè)設計是大學四年間所學知識的綜合運用，通過這次設計把這四年所學的基礎理論和專業(yè)課程作了一個總結和回顧，加深了對理論的理解，能夠掌握機械設計的全套思路，為即將走上工作崗位和以后的發(fā)展打下了一定的基礎。</p&

105、gt;<p>　　在設計過程中，我查閱了大量的圖書資料以及網絡上的資料，包括液氣壓控制、幾何量公差與測量、機械制圖、機械手設計基礎等等，尤其是在從對各類設計手冊的查閱中，我的知識面得到了很大的提高；通過對該課題的獨立設計，使我對機械知識有了一個更加深入的了解，對機械這門學科有了進一步的理解。也使我獨立設計的能里有了極大的提高。</p><p>　　在設計的研究階段，我得到了姚老師的大力支持和幫助，在

106、此一并向她表示衷心的感謝。在設計過程中，遇到不懂的地方，我也經常與同學進行討論，解決難題。感謝父母 、家人對我的教育，感謝所有關心我的朋友和老師，同時感謝菏澤學院良好的學習環(huán)境。</p><p>　　當然，由于本人設計水平有限、在課程中沒有接觸過機械手的相關課程，實際經驗的不足，以及時間上的限制，在設計中難免存在一些錯誤。懇請老師給予以批評以及指正。</p><p><b>　　

107、再次表示感謝！</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]劉建慧,鄒慧君.加工中心自動換刀裝置類型綜述及設計特點[J],機械設計與研究,2001.9,17(3):49～51</p><p>　　[2]李凈儀,李秋紅,鄭耘杰.簡述機械手液壓控制系統(tǒng)的設計[J],農機使用與維修,2010,3: 27

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