【正文】 行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。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?；剞D(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸與升降缸的活塞桿是一體的。 圖 回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)身回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 （ 1） 回轉(zhuǎn)缸驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 手臂回轉(zhuǎn)缸的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)力矩，應(yīng)該與手臂運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩及各密封裝置處的摩擦阻力矩相平衡。 液壓缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 根據(jù)表 ，因?yàn)榛剞D(zhuǎn)缸的工作壓力為 8Mpa,所以螺釘間距 t小于 80mm,根據(jù)初步估算， ， ,所以缸蓋螺釘?shù)臄?shù)目為（一個(gè)面 6 個(gè)，兩個(gè)面是 12 個(gè)）。 1920mm 所以，回轉(zhuǎn)半徑 3 計(jì)算偏重力矩 升降不自鎖條件分析計(jì)算 手臂在的作用下有向下的趨勢(shì)，而里柱導(dǎo)套有防止這種趨勢(shì)。其結(jié)構(gòu)參看本章開(kāi)始的――機(jī)身結(jié)構(gòu)示意圖 。液壓裝置的換向頻率，在實(shí)現(xiàn)往復(fù)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)每分鐘 500 次，實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)可達(dá)每分鐘 1000 次。壓力繼電器起過(guò)壓發(fā)訊作用。 PLC 的向可靠性已受到用戶(hù)的普遍認(rèn)可。一般 PLC 都具有自診斷、故障報(bào)警、故障種類(lèi)顯示等功能，便于操作和維修人員檢查，可以較容易通過(guò)更換模塊插件來(lái)迅速排除故障。移位寄存器的特點(diǎn)如下： N 要小于 64，具體由程序指定當(dāng) N 0 時(shí)，為正向移位，即從最低位向最高位移位；當(dāng) N 0 時(shí)，為反向移位，即從最高位向最低位移位。機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)手臂的水平伸縮、垂直升降、回轉(zhuǎn)，手腕旋轉(zhuǎn)，手爪抓取等功能，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)所要求的技術(shù)性能。也對(duì)這四年來(lái)給予了我各方面極大支持及鼓勵(lì)機(jī)械學(xué)院老師表示感謝。在她的指導(dǎo)下取得了很大的進(jìn)步，同時(shí)他豐富的理論知識(shí)及實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)、對(duì)待學(xué)術(shù)問(wèn)題的科學(xué)態(tài)度令我十分欽佩。在本設(shè)計(jì)中，我完成了總體方案的設(shè)計(jì)，傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及主要零部件的設(shè)計(jì)與計(jì)算，并進(jìn)行了必要的校核計(jì)算。此外， 順便說(shuō)明下面程序用到的移 位寄存器 SHRB，它在順序控制或步進(jìn)控制中，都很方便。在進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)，一般不再需要用戶(hù)制作其它任何附加裝量，從而使設(shè)計(jì)工作簡(jiǎn)化。 圖 機(jī)械手液壓系統(tǒng)原理圖 PLC 控制系 統(tǒng)設(shè)計(jì) PLC 的特點(diǎn) （ 1）可靠性高 由于采取了一系列的保證 PLC高可靠件的措施， PLC的平均無(wú)故障時(shí)間 MTBF 一般可達(dá) 3― 5 萬(wàn) h。液壓件能自行潤(rùn)滑，使用壽命較長(zhǎng)。 2 液壓裝置工作比較平穩(wěn)。對(duì)于本設(shè)計(jì)，采用一支點(diǎn)，雙固定，另一支點(diǎn)游動(dòng)的支撐結(jié)構(gòu)。 機(jī)身升降機(jī)構(gòu)的計(jì)算 手臂偏重力矩的計(jì)算 圖 手臂各部件重心位置圖 零件重量、等。 經(jīng)過(guò)以上的計(jì)算 回轉(zhuǎn)缸尺寸的初步確定 設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)缸的靜片和動(dòng)片寬 b 60mm，選擇液壓缸的工作壓強(qiáng)為 8Mpa。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動(dòng)，回轉(zhuǎn)缸通過(guò)兩個(gè)油孔，一個(gè)進(jìn)油孔，一個(gè)排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)。如上圖所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。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。一般實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都安在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)身的軀干與底座相連。 a――導(dǎo)向支撐的 長(zhǎng)度（ m） 。 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 先進(jìn)行粗略的估算，或類(lèi)比 同類(lèi)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)。 三、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 提高配合精度。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。連接螺釘一般為偶數(shù)，對(duì)稱(chēng)安裝，并用兩個(gè)定位銷(xiāo)定位。 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)，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結(jié)構(gòu)選擇具有一個(gè)自由 度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)腕部結(jié)構(gòu)，采用液壓驅(qū)動(dòng)。 它具有結(jié)構(gòu)緊湊、靈活等優(yōu)點(diǎn)而被廣腕部回轉(zhuǎn)，總力矩 M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動(dòng)慣性所用。 現(xiàn)在由于本設(shè)計(jì)是在恒定 載荷情況下，所以只進(jìn)行靜應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算。 一般夾持誤差不超過(guò) 1mm,分析如下： 工件的平均半徑： 手指長(zhǎng) ,取 V 型夾角 偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： 計(jì)算 當(dāng) S 時(shí)帶入有： 夾持誤差滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。 表 31 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 50000 以上 計(jì)算：設(shè) a 100mm,b 50mm, 。 由 0 得 0 得 由 0 得 h F （ ） 式中 a――手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱(chēng)中心的距離（ mm） . ――工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)的夾角。本設(shè)計(jì)機(jī)械手采用夾持式手指 ,夾持式機(jī)械手按運(yùn)動(dòng)形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移 型。 （ 3） 要 求結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、效率高，在保證本身剛度、強(qiáng)度的前提下，盡可能使結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，以利于減輕手臂的負(fù)載。（ 4）機(jī)身，采用一個(gè)直線缸和一個(gè)回 轉(zhuǎn)缸來(lái)實(shí)現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。 3 球坐標(biāo) 極坐標(biāo) 型機(jī)械手 。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000m 水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī) 器人、管道機(jī)器人等機(jī)種 :在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。 7 機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。例如關(guān)節(jié)模塊中的伺服電機(jī)、減速機(jī)、檢測(cè)系統(tǒng)三位一體化 :由關(guān)節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構(gòu)造機(jī)器人整機(jī) 。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是工業(yè)機(jī)械手的重要組成部分。 （ 3）臂部 手臂部件是機(jī)械手的重要握持部件。手部多為兩指（也有多指）；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤(pán)（主要用于吸冷的，光滑表面的零件或薄板零件）和電磁吸盤(pán)。由于這方面的使用已有成功的經(jīng)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)一些機(jī)床廠已在這類(lèi)產(chǎn)品出廠是就附上機(jī)械手，或?yàn)橛脩?hù)安裝機(jī)械手提供條件。目前在我國(guó)機(jī)械手常用于完 成的工作有：注塑工業(yè)中從模具中快速抓取制品并將制品傳誦到下一個(gè)生產(chǎn)工序；機(jī)械手加工行業(yè)中用于取料、送料；澆鑄行業(yè)中用于提取高溫熔液等等。 隨著工業(yè)機(jī)器手（機(jī)械人）研究制造和應(yīng)用的擴(kuò)大，國(guó)際性學(xué)術(shù)交流活動(dòng)十分活躍，歐美各國(guó)和其他國(guó)家學(xué)術(shù)交流活動(dòng)開(kāi)展很多。預(yù)計(jì)到 1990 年將有 55 萬(wàn)機(jī)器人在工作。 1976 年個(gè)大學(xué)和國(guó)家研究部門(mén)用在機(jī)械手的研究費(fèi)用 42%。 1 毫米。商名為 Unimate 即萬(wàn)能自動(dòng) 。 機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開(kāi)始比較簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性較強(qiáng)。工業(yè)機(jī)械手也是工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)重要分支。s hand. Keywords: manipulator。同時(shí)，對(duì)機(jī)械手的通用性主要是采用可更換式手部結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)更換手部，可使機(jī)械手抓取外圓零件和內(nèi)圓零件，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的多功能化。文章主要敘述了機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程 。全面詳盡的討論了搬運(yùn)機(jī)械手的手部、腕部、手臂以及機(jī)身等主要部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械手是模仿著人手的部分動(dòng)作，按給定程序、軌跡和要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)抓取、搬運(yùn)或操作的自動(dòng)機(jī)械裝置。 機(jī)械手的發(fā)展是 由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。 工業(yè)機(jī)械手的簡(jiǎn)史 現(xiàn)代工業(yè)機(jī)械手起源于 20世紀(jì) 50年代初，是基于示教再現(xiàn)和主從控制方式、能適應(yīng)產(chǎn)品種類(lèi)變更，具有多自由度動(dòng)作功能的柔性自動(dòng)化產(chǎn)品。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬(wàn)能自動(dòng)公司（ Unimaton） ,專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)工業(yè)機(jī)械手。 瑞士 RETAB 公司生產(chǎn)一種涂漆機(jī)械手，采用示教方法編制程序。 具有記憶功能的機(jī)械手產(chǎn)值約為 67 億日元，比 1978 年增長(zhǎng) 50%。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息反饋，使機(jī)械手具有感覺(jué)機(jī)能。 在現(xiàn)代工業(yè)中，生產(chǎn)過(guò)程中的自動(dòng)化已成為突出的主題。 建造旋轉(zhuǎn)零件（轉(zhuǎn)軸、盤(pán)類(lèi)、環(huán)類(lèi)）自動(dòng)線 一般都采用機(jī)械手在機(jī)床之間傳遞零件。如沈陽(yáng)低壓開(kāi)關(guān)廠 200t 環(huán)類(lèi)沖床磁力起重器殼體下料機(jī)械手和天京拖拉機(jī)廠 400t 沖床的下料機(jī)械手等；其一是用于多工位沖床，用作沖壓件工位間步進(jìn)輕局技術(shù)研究所制作的 120t 和 40t 多工位沖床機(jī)械手等。手腕有獨(dú)立的自由度。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。 控制系統(tǒng)分類(lèi) 在機(jī)械手的控制上，有點(diǎn)動(dòng)控制和連續(xù)控制兩種方式。器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。其中有 130 多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線 站 上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人己應(yīng)用在汽車(chē)制造廠的焊裝線上。本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方面設(shè)計(jì)，以及 ADAMS 軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng) 仿真。圖 是機(jī)械手搬運(yùn)物品示意圖。采用液壓機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)械手 ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸緊湊、重量輕、控制方便，驅(qū)動(dòng)力大等優(yōu)點(diǎn)。 （ 2） 移動(dòng)型 移動(dòng)型即兩手指相對(duì)支座作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。顯然是不合適的，因此不選擇這種類(lèi)型。 必須對(duì)大小、方向和作用點(diǎn)進(jìn)行分析計(jì)算。 手抓夾持范圍，手指長(zhǎng) 100mm,當(dāng)手抓沒(méi)有張開(kāi)角的時(shí)候，如圖 （ a）所示，根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) ，它的最小夾持半徑，當(dāng)張開(kāi)時(shí)，如圖 （ b）所示，最 大夾持半徑計(jì)算如下： 機(jī)械手的夾持半徑從 （ a） b 圖 手抓張開(kāi)示意圖 機(jī)械手手抓夾持精度的分析計(jì)算 機(jī)械手的精度設(shè)計(jì)要求工件定位準(zhǔn)確 ,抓取精度高 ,重復(fù)定位精度和運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好 ,并有足夠的抓取能。 圖 圓柱螺旋彈簧的幾何參數(shù) 1 .選擇硅錳彈簧鋼，查取許用切應(yīng)力 2 .選擇 旋繞比 C 8，則 （ ） 3 .根據(jù)安裝空間選擇彈簧中徑 D 42mm，估算彈簧絲直徑 4 .試算彈簧絲直徑 （ ） 5 . 根據(jù)變形情況確定彈簧圈的有效圈數(shù)： （ ） 選擇標(biāo)準(zhǔn)為，彈簧的總?cè)?shù)圈 6 .最后確定， 7 .對(duì)于壓縮彈簧穩(wěn)定性的驗(yàn)算 對(duì)于壓縮彈簧如果長(zhǎng)度較大時(shí)，則受力后容易失去穩(wěn)定性，這在工作中是不允許的。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷，直接影響著臂部的 結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)轉(zhuǎn)性能。在要求回轉(zhuǎn)角大于的情況下，可采用齒條活塞驅(qū)動(dòng)的腕部結(jié)構(gòu)。 腕部回轉(zhuǎn)支撐處的摩擦力矩。 5 臂部的設(shè)計(jì)及有關(guān)計(jì)算 手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手 的工作性能。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。 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 常見(jiàn)的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種： 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為：。 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂 1800 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂 的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大?；钊麠U采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向。 慣性力矩的計(jì)算 式中 ――回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量（），在起動(dòng)過(guò)程中 ； t――起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間 s 。 危險(xiǎn)截面 所以， 所以 螺釘材料選擇 Q235，則（） 螺釘?shù)闹睆? 螺釘?shù)闹睆竭x擇 d M20 的開(kāi)槽盤(pán)頭螺釘。 由力的平衡條件有 h 即 所謂的不自鎖條件為： 即 取 當(dāng) 1650mm 時(shí)， 528mm 因此在設(shè)計(jì)中必須考慮到立柱導(dǎo)套必須大于 528mm 手臂做升 降運(yùn)動(dòng)的液壓缸驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 式中摩擦阻力，參考圖 取 f G――零件及工件所受的總重。 本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)角接觸球軸承，面對(duì)面或者背對(duì)背的組合結(jié)構(gòu)。 3 液壓裝置能在大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速 調(diào)速 范圍