【正文】 球坐標(biāo)式機(jī)械手，為了使手部能適應(yīng)被抓取對(duì)象方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動(dòng)，使其手部保持水平或其他狀態(tài)。所以在腕部與臂部連接處安裝一個(gè)回轉(zhuǎn)液壓缸，使腕部具有上下擺動(dòng)的功能。 腕部設(shè)計(jì)考慮的參數(shù) 夾取工件重量10Kg，回轉(zhuǎn)。 腕部的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算（1）腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩力矩可按下式計(jì)算 ——驅(qū)動(dòng)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩(Nm)——慣性力矩(Nm)——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(Nm)——腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Nm)——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(Nm)棒料的計(jì)算采用最大值，夾取棒料直徑60mm，長(zhǎng)度800mm，重量10Kg,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，另外，工件重為G2 =100N。其總重為G=460N。等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。因?yàn)? =（+)=======代入 =(+) =33所以 =+0+33=(2)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 式中 R——缸體內(nèi)壁半徑 r——輸出軸半徑 b——?jiǎng)悠瑢挾? 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 選擇工作壓力為P=4Mpa. 表51 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB82666） （mm）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250表52 標(biāo)準(zhǔn)液壓缸外徑（JB106867） （mm）液壓缸內(nèi)徑40 5063809010011012514015016018020020鋼P(yáng)5060769510812113316814618019421924545鋼506076951081211331681461801942192456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=,直徑為105mm的圓柱體，其重力為臂部伸縮油缸等效為高為730mm,直徑為135mm的圓柱體，其重力為若腕部啟動(dòng)過程按等加速運(yùn)動(dòng)，腕部轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的角速度，啟動(dòng)過程所用的時(shí)間為，則 若腕部轉(zhuǎn)過的角速度為，啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度為，則式中——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() ——工件對(duì)腕部轉(zhuǎn)動(dòng)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量()設(shè)置轉(zhuǎn)過的角度=，啟動(dòng)時(shí)間=，那么角速度=， 解得 那么 =0解得根據(jù)表選擇液壓缸內(nèi)徑，輸出軸直徑為，動(dòng)片寬度為，那么回轉(zhuǎn)缸工作壓力為 式中 R——缸體內(nèi)壁半徑（m） r——輸出軸半徑（m） b——?jiǎng)悠瑢挾龋╩）解得7 臂部的設(shè)計(jì)計(jì)算臂部是機(jī)械手的主要執(zhí)行。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括3個(gè)運(yùn)動(dòng)：。臂部運(yùn)動(dòng)的目的是把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)(方位)則由腕部的自由度實(shí)現(xiàn)。因而機(jī)械手的臂部一般具有三個(gè)自由度才能滿足基本要求:即手部的伸縮 回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。臂部的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(油缸或氣缸)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況看，他在工作中既直接承受腕部 手部和工件的靜 動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，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(jī)械手的工作性能。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求(1)臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕①根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。②提高支撐剛度和合理選擇支撐間的距離。③合理布置作用力的位置和方向。④盡可能使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化⑤水平放置的手臂，應(yīng)該增加導(dǎo)向桿的剛度⑥提高活塞和缸體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂伸縮時(shí)的剛度。(2)臂部要運(yùn)動(dòng)速度高，慣性小。 機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在內(nèi)，在大部分行程上平均移動(dòng)速度為回轉(zhuǎn)角速度在。平均回轉(zhuǎn)速度為在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。減少慣性沖擊的措施有： ①減少臂部運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料②減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸③減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手運(yùn)動(dòng)順序時(shí)，先縮回回轉(zhuǎn)(或先回轉(zhuǎn)后伸)，盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作④驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。(3)臂部動(dòng)作應(yīng)靈活。為減少臂部運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。對(duì)于懸臂式機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使臂部運(yùn)動(dòng)盡可能保持平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。(4)位置精度要高。 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 臂部的典型運(yùn)動(dòng)的形式有：直線運(yùn)動(dòng)，如臂部的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如臂部的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；復(fù)合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，兩直線運(yùn)動(dòng)的組合，兩回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的組合等。（1）臂部作直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu) ①雙導(dǎo)向桿手臂伸縮結(jié)構(gòu) ②雙層油缸空心活塞桿單桿導(dǎo)向結(jié)構(gòu) ③采用花鍵套導(dǎo)向的手臂升降結(jié)構(gòu) ④雙活塞伸縮油缸結(jié)構(gòu)（2）臂部作直線運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu) ①回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的機(jī)身結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。其缺點(diǎn)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)路線長(zhǎng)，花鍵軸的變形對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響較大 ②回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)采用單缸活塞桿，內(nèi)部導(dǎo)向，結(jié)構(gòu)緊湊。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。 ③活塞桿和齒條齒輪結(jié)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。（3）臂部做俯仰運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu) 俯仰運(yùn)動(dòng)大多采用擺動(dòng)式直線缸驅(qū)動(dòng)，而回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)大多采用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實(shí)現(xiàn)。通過以上，綜合考慮，本設(shè)計(jì)的伸縮運(yùn)動(dòng)選擇單花鍵軸導(dǎo)向的伸縮機(jī)構(gòu),俯仰運(yùn)動(dòng)選擇擺動(dòng)式直線缸驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)選擇回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動(dòng)。 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算通常先進(jìn)行粗略的估算，或類比同類型的結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。如此反復(fù)數(shù)次，繪出最終的結(jié)構(gòu)。根據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的負(fù)載、摩擦、慣性等幾個(gè)方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算為 式中 ——摩擦阻力（N）.臂部運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)件表面間的摩擦力。 ——密封裝置處的摩擦阻力（N） ——油缸回油腔低壓油造成的阻力，一般背壓阻力較小，可取 ——臂部啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)活塞桿上受到的平均慣性力（N） 計(jì)算如下：本機(jī)械手采用花鍵軸導(dǎo)向，在活塞桿與花鍵軸接觸處采用花鍵軸套，如圖中所示。 根據(jù)受力平衡，有得 得 ()式中 參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重力（包含被抓去的工件）（N）； L——臂部參與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重心到導(dǎo)向支撐前端的距離（m）； a——導(dǎo)向支撐的長(zhǎng)度（m）。 ——當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面形狀有關(guān)。對(duì)于圓柱面：——摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無潤(rùn)滑時(shí)：鋼對(duì)青銅：取鋼對(duì)鑄鐵：取計(jì)算：導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇青銅 ，L=540mm,花鍵軸套a=60mm將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是V=,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間 ()解得密封圈的形式有O型密封圈，Y型密封圈，V型密封圈。不同的密封圈，其摩擦阻力是不同的。在手臂設(shè)計(jì)中，采用O型密封，當(dāng)液壓缸工作壓力小于10Mpa。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。經(jīng)過以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力： 確定液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)經(jīng)過上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力F=5591N，=2Mpa,機(jī)械效率液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如下圖所示 圖72 液壓缸受力示意 當(dāng)油進(jìn)入無桿腔，當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中， 液壓缸的有效面積： 故有 （無桿腔） （有桿腔） 式中 P——活塞的驅(qū)動(dòng)力（N） ——油缸的工作壓力（Mpa） d——活塞桿直徑（mm） D——油缸內(nèi)徑（mm） ——機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐用膠可取=F=5591N， =，選擇機(jī)械效率將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 根據(jù)表51，選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑系列，選擇D=100mm.（1）液壓缸外徑的設(shè)計(jì)根據(jù)裝配等因素，考慮到液壓缸的臂厚在15mm，所以該液壓缸的外徑為13