【正文】 球坐標(biāo)式機械手，為了使手部能適應(yīng)被抓取對象方位的要求，常常設(shè)有手腕上下擺動，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回轉(zhuǎn)液壓缸，使腕部具有上下擺動的功能。 腕部設(shè)計考慮的參數(shù) 夾取工件重量10Kg，回轉(zhuǎn)。 腕部的驅(qū)動力矩計算（1）腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩力矩可按下式計算 ——驅(qū)動腕部轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩(Nm)——慣性力矩(Nm)——參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量(包括工件 手部 腕部回轉(zhuǎn)缸的動片)對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩(Nm)——腕部轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩(Nm)——腕部回轉(zhuǎn)缸的動片與定片 缸徑 端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩(Nm)棒料的計算采用最大值，夾取棒料直徑60mm，長度800mm，重量10Kg,因為腕部的伸縮缸為腕部回轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動缸的軸，故將其整體視為一圓柱體，直徑為180mm，其長為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)動角速度。因為 =（+)=======代入 =(+) =33所以 =+0+33=(2)回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計計算 單葉片回轉(zhuǎn)缸的壓力P與驅(qū)動力矩M的關(guān)系為 式中 R——缸體內(nèi)壁半徑 r——輸出軸半徑 b——動片寬度 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P5060769510812113316814618019421924545鋼506076951081211331681461801942192456腕部與臂部連接處的回轉(zhuǎn)液壓缸的設(shè)計計算 在上節(jié)的計算中，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過程按等加速運動，腕部轉(zhuǎn)動時的角速度，啟動過程所用的時間為，則 若腕部轉(zhuǎn)過的角速度為，啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度為，則式中——參與腕部轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量() ——工件對腕部轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量()設(shè)置轉(zhuǎn)過的角度=，啟動時間=，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——動片寬度（m）解得7 臂部的設(shè)計計算臂部是機械手的主要執(zhí)行。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運動。手臂運動應(yīng)該包括3個運動：。臂部運動的目的是把手部送到空間運動范圍內(nèi)的任意一點。如果改變手部的姿態(tài)(方位)則由腕部的自由度實現(xiàn)。因而機械手的臂部一般具有三個自由度才能滿足基本要求:即手部的伸縮 回轉(zhuǎn)和俯仰運動。臂部的各種運動通常用驅(qū)動機構(gòu)(油缸或氣缸)和各種傳動機構(gòu)來實現(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 動載荷，而且自身運動又較多，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械手的工作性能。 臂部設(shè)計的基本要求(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，以提高手臂伸縮時的剛度。(2)臂部要運動速度高，慣性小。 機械手手部的運動速度是機械手的主要參數(shù)之一，它反映機械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運動的機械手，其最大移動速度設(shè)計在,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在內(nèi)，在大部分行程上平均移動速度為回轉(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減少臂部運動件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強度材料②減少臂部運動件的輪廓尺寸③減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機械手運動順序時，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行回轉(zhuǎn)動作④驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。(3)臂部動作應(yīng)靈活。為減少臂部運動件之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式機械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使臂部運動盡可能保持平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。(4)位置精度要高。 手臂的典型機構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 臂部的典型運動的形式有：直線運動，如臂部的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運動，如臂部的左右擺動，上下擺動；復(fù)合運動，如直線運動和回轉(zhuǎn)運動，兩直線運動的組合，兩回轉(zhuǎn)運動的組合等。（1）臂部作直線運動的結(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）臂部作直線運動的結(jié)構(gòu) ①回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之下的機身結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大 ②回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機身結(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，運動部件較大。 ③活塞桿和齒條齒輪結(jié)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運動是通過齒條齒輪機構(gòu)來實現(xiàn)：齒條的往復(fù)運動帶動與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動。（3）臂部做俯仰運動的結(jié)構(gòu) 俯仰運動大多采用擺動式直線缸驅(qū)動，而回轉(zhuǎn)運動大多采用回轉(zhuǎn)缸或齒條缸來實現(xiàn)。通過以上，綜合考慮，本設(shè)計的伸縮運動選擇單花鍵軸導(dǎo)向的伸縮機構(gòu),俯仰運動選擇擺動式直線缸驅(qū)動，回轉(zhuǎn)運動選擇回轉(zhuǎn)液壓缸驅(qū)動。 手臂直線運動的驅(qū)動力計算通常先進行粗略的估算，或類比同類型的結(jié)構(gòu)，根據(jù)運動參數(shù)初步確定有關(guān)機構(gòu)的主要尺寸，再進行校核計算，修正設(shè)計。如此反復(fù)數(shù)次，繪出最終的結(jié)構(gòu)。根據(jù)液壓缸運動時所克服的負(fù)載、摩擦、慣性等幾個方面的阻力，來確定液壓缸所需要的驅(qū)動力。液壓缸活塞的驅(qū)動力的計算為 式中 ——摩擦阻力（N）.臂部運動時，運動件表面間的摩擦力。 ——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 ——臂部啟動或制動時活塞桿上受到的平均慣性力（N） 計算如下：本機械手采用花鍵軸導(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 參與運動的零部件的總重力（包含被抓去的工件）（N）； L——臂部參與運動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)。對于圓柱面：——摩擦系數(shù)，對于靜摩擦且無潤滑時：鋼對青銅：取鋼對鑄鐵：取計算：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)代入進行計算本設(shè)計要求手臂平動是V=,設(shè)置啟動時間 ()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)過以上分析計算最后計算出液壓缸的驅(qū)動力： 確定液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)經(jīng)過上面的計算，確定了液壓缸的驅(qū)動力F=5591N，=2Mpa,機械效率液壓缸內(nèi)徑的計算，如下圖所示 圖72 液壓缸受力示意 當(dāng)油進入無桿腔，當(dāng)油進入有桿腔中， 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） ——機械效率，在工程機械中用耐用膠可取=F=5591N， =，選擇機械效率將有關(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