【正文】 定性的產(chǎn)生。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮通用性和特殊位置的要求 在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮到擴(kuò)大機(jī)械手的適 用范圍，盡量實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，提高機(jī)械手的通用程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件的需要，以外，還應(yīng)該考慮到使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐腐蝕等。 綜上考慮，根據(jù)工件的形狀和設(shè)計(jì)的參數(shù)要求，此次設(shè)計(jì)的機(jī)械手將采用最常用的滑槽杠桿式夾鉗手，此種結(jié)構(gòu)手部較為簡(jiǎn)單，制造方便，通用性強(qiáng)。 基于 PLC 控制的球坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 6 、手部參數(shù)的計(jì)算 滑槽杠桿式夾鉗手結(jié)構(gòu)如下圖，其原理是在拉桿 3作用下銷軸 2向上 的拉力為 P，并且通過銷軸中心點(diǎn) O點(diǎn)，兩手指 1的滑槽對(duì)銷軸的反作用力為 PP2， 其力的方向垂直于滑槽的中心線 OO1和 OO2并指向 O點(diǎn)， P1和 P2的延長(zhǎng)線交 O1O2于 A 與 B 由 0??Fx 得 PP21? 0??Fy 得 ?cos21 PP ? ? ? 01 ?? FM O 得 NbhP ?39。1 因 ?cosah? 所以 NabP ?? ?2cos2 (21) 式中а —— 手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離； α —— 工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角（一般取 ??? 40~30? ） 圖 21 合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文集 7 、手部握力計(jì)算： 理論驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 由上面可知，驅(qū)動(dòng)力為： NabP ?? ?2cos2 在此設(shè)計(jì)中，我們選擇 V型指型夾方料，手指與工件位置選擇：手指水平位置夾水平放置的工件。由課程設(shè)計(jì) 指導(dǎo)書表 2－ 1查得握力計(jì)算公式： GN ? 由設(shè)計(jì)參數(shù)可知， G＝ 300N，故可求得 N＝ 300N=150（ N），將 N=150N 代入驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式中，并且在此設(shè)計(jì)中，我們選擇使用參數(shù) a=40(mm),b=80(mm)，α＝ 30176。，可求得理論驅(qū)動(dòng)力 P＝ 450N 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 夾持手部在工作過程中，其實(shí)際驅(qū)動(dòng)力的大小，除理論驅(qū)動(dòng)力 P外，還應(yīng)考慮傳力機(jī)構(gòu)的效率及工件運(yùn)送過程中所產(chǎn)生的慣性力等因素的影響。 實(shí)際驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算公式： ?KKP P 21?實(shí)際 (22) 式中， P理論驅(qū)動(dòng)力， K1安全系數(shù)，取 ～ 2 K2實(shí)際工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，可按下式估算： gaK ??12（其中， a 為手部抓取工件后手臂運(yùn)動(dòng)的最大加速度， g為重力加速度） Η 手部的機(jī)械效率，一般取故取 ~，此處η取 。 K1為安全系數(shù)，一般取 ~2，此處 K1＝ 若被抓取工件的最大加速度取 a＝ g時(shí)，則 K2＝ 1＋ 1＝ 2 所以 ? ?NP ????實(shí)際,即夾持工件時(shí)所需夾緊油缸的驅(qū)動(dòng)力為 1500N。 D 由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) ? 液壓傳動(dòng)與控制》可知 PFD ??? (23) 基于 PLC 控制的球坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 8 由于作用在活塞上的外力小于 5000N,故選擇液壓缸壓力油工作壓力 P=1MPa, mmPFD 22 ?????? ?? 根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) ? 液壓傳動(dòng)與控制》表 ，選取液壓缸內(nèi)徑為： D=63mm 則活塞桿內(nèi)徑為 : D=63? =，選取 d=32mm 表 21 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力F（ N） 液壓缸工作壓力Mpa 作用在活塞上外力F（ N） 液壓缸工作壓力Mpa 小于 5000 ~1 20210 ~ 30000 ~ 5000 ~10000 ~ 30000 ~ 50000 ~ 10000 ~ 20210 ~ 50000 以上 ~ 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動(dòng)部件來決定），而且也于機(jī)械手夾持誤差大小有關(guān)，為使機(jī)械手能適用于多品種小批量 工件直徑在一定范圍內(nèi)變化的生產(chǎn)中，必須使用合理的手部結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以采用自動(dòng)定心的手部結(jié)構(gòu)來減少機(jī)械手的調(diào)整工作，從而使加持誤差控制在較小范圍內(nèi)。 該設(shè)計(jì)以棒料來分析機(jī)械手的夾持誤差精度。機(jī)械手的夾持范圍為φ 40mm～φ 60mm 一 般 夾 持 誤 差 不 超 過 1mm, 分 析 如 下 ： 工 件 的 平 均 半 徑 ：20 30 252cpR m m??? 手指長(zhǎng) mml 120? ,取 V型夾角 01202 ?? 合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文集 9 圖 22 手抓夾持誤差分析示意圖 偏轉(zhuǎn)角 ? 按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： )s ina rc c os ( ???? laR CP?? (24) 計(jì)算 mmlR o ss in0 ?? ?? 因 maxmin0 RRR ?? ，即 maxR 和 minR 在雙曲線的對(duì)稱點(diǎn) 0R 的同側(cè)，故其夾持誤差△為： 2m i n2m i n22m a x2m a x2 s i n2)s i n(c oss i n2)s i n( aRlRlaRlRl ????????? ????? ?? ? mm 夾持誤差△ =，因此本設(shè)計(jì)的夾持誤差 ? 3mm,滿足 設(shè)計(jì)的要求。 基于 PLC 控制的球坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 10 第三章 腕部設(shè)計(jì) 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 力求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。腕部處于臂部的最前端，它連同手部的靜、動(dòng)載荷均由臂部承擔(dān)，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。因此，在腕部設(shè)計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 綜合考慮，合理布局。腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)連接和支撐作用，除了保證力和運(yùn)動(dòng)的要求，及具有足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，如應(yīng)解決好腕部與臂部和手部的連接，碗部各個(gè)自由度的位置檢測(cè)，管線布置，以及潤(rùn)滑、維修、調(diào)整等問 題。 必須考慮工作條件。對(duì)于本設(shè)計(jì)，機(jī)械手的工作條件是在正常工作場(chǎng)合中搬運(yùn)加工的棒料，不會(huì)受到環(huán)境的影響，對(duì)機(jī)械手的腕部沒有太多不利因素。如果機(jī)械手處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，就應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮環(huán)境對(duì)機(jī)械手腕部的影響。 腕部的結(jié)構(gòu)以及選擇 、典型的腕部結(jié)構(gòu) 具有單自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它直接用回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。 用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。在要求回轉(zhuǎn)角大于 270176。的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸 較大，一般適用于懸掛式臂部。 具有兩個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。它是來實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)。 機(jī) 液結(jié)合的腕部結(jié)構(gòu) 、腕部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 本設(shè)計(jì)要求手腕回轉(zhuǎn) 180176。，通過以上的分析，腕部的結(jié)構(gòu)采用具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)方式采用液壓驅(qū)動(dòng)，采用具有一個(gè)自由度的回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)的腕部機(jī)構(gòu)，直接用回轉(zhuǎn)液體壓驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)腕部的回轉(zhuǎn)，具有機(jī)構(gòu)緊湊，靈活等優(yōu)點(diǎn)。如圖下圖 22 所示的腕部結(jié)構(gòu)，采用一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸，實(shí)現(xiàn)的合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文集 11 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。從 AA 剖面視圖上可以看出，回轉(zhuǎn)葉片（簡(jiǎn)稱動(dòng)片）用螺 訂，銷釘和轉(zhuǎn)軸 10 連接在一起，定片 8 則和缸體 9連接。壓力油分別由油孔 5， 7 進(jìn)出油涳，實(shí)現(xiàn)手部 12的旋轉(zhuǎn)。如下圖： 圖 31 機(jī)械手腕部結(jié)構(gòu) 、腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 基本參數(shù)：抓重 G=300N,回轉(zhuǎn)符號(hào) w ，行程 000 180? ，速度 90/o s ,以最大負(fù)荷計(jì)算，當(dāng)工件處于水平位置時(shí)，擺動(dòng)缸的工件扭矩最大，用估算法，工件重300N，長(zhǎng)度取 1200mm，如圖所示： 基于 PLC 控制的球坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 12 圖 32 腕部受力簡(jiǎn)圖 、腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩力矩驅(qū)M可按下式計(jì)算 M M M M M? ? ?驅(qū)慣 偏 摩 封+ (25) M驅(qū) —— 驅(qū)動(dòng)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 (N? m) M慣 —— 慣性力矩 (N? m) M偏 —— 參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量 (包括工件 手部 腕部回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片 )對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 (N? m) M摩 —— 腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩 (N? m) M封 —— 腕部回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與定片 缸徑 端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩 (N? m) 棒料的計(jì)算采用最大值，夾取棒料直徑 60mm，長(zhǎng)度 1200mm，重量 30Kg,因?yàn)橥蟛康纳炜s缸為腕部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)缸的軸，故將其整體視為一圓柱體，直徑為 180mm，其長(zhǎng)為 185mm，故估算其重為 NKgNG 360/ 21 ????? ? ，另外，工件重為G2 =300N。其總重為 G=660N。 等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度 srads /???? 。 腕部加速運(yùn) 動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩 慣M 慣M =（ J +1J )???22 (26) 式中： J參與腕部轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J1工件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J = 221MR = 221 RgG= ?? = 2smN ?? 合肥工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文集 13 1J = )3(121 221 Rlm ?= )(100121 22 ????= 2smN ?? 慣M =(+) 2?? =33 mN? 驅(qū)M = 總驅(qū)力矩M +0+33 驅(qū)M = mN? 、回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 單葉片回轉(zhuǎn)缸的壓力 P 與驅(qū)動(dòng)力矩 M 的關(guān)系為 22M ? 2驅(qū) pb(R r ） (27) 式中 R—— 缸體內(nèi)壁半徑 r—— 輸出軸半徑 b—— 動(dòng)片寬度 根據(jù)表 51 選擇液壓缸內(nèi)徑 R=64mm,輸出軸直徑 d=32mm,動(dòng)片寬度b=25mm. 那么回轉(zhuǎn)缸工作壓力為 2 2222 MPRMP ?? ???? ）（）（ 驅(qū) 選擇工作壓力為 P=4Mpa. 表 31 液壓缸的內(nèi)徑系列（ JB82666）（ mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 表 32 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（ JB106867）（ mm） 液壓缸內(nèi)徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 鋼P(yáng) 160Mpa? 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 基于 PLC 控制的球坐標(biāo)機(jī)械手設(shè)計(jì) 14 45 鋼200P Mpa? 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 、腕部與臂部連接處的回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 在上節(jié)的計(jì)算中，可知腕部及手指和工件的重力分別為 G1=360N,G2=轉(zhuǎn)油缸等效為高為 150mm,直徑為 105mm 的圓柱體，其重力為 NKgNmKgG 100/?????? ? (28) 臂部伸縮油缸等效為高為 730mm,直徑為 135mm 的圓柱體，其重力為 NKgNmKgG 810/?????? ? (29) 、慣性力矩的計(jì)算 若腕部啟動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度 ( / )rad s? ，啟動(dòng)過程所用的時(shí)間為 ()ts? ，則 1()M J J t??? ?慣 (210) 若腕部轉(zhuǎn)過的角速度為 ? ，啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度為 ()rad?? ，則 21()2M J J ? ??? ?慣 (211) 式中 ()Nm? —— 參與腕部轉(zhuǎn)動(dòng)的部件對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( 2kgm? ) 1J —— 工件對(duì)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ( 2kgm? ) 設(shè)置轉(zhuǎn)過的角度 ?? =9? ，啟動(dòng)時(shí)間 t? =，那么角速度 ? = /rad s ， 解得 2