【文章內(nèi)容簡介】 求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 2） 結(jié)構(gòu)考慮，合理布局 腕部承擔(dān)連接和支撐作用，除保證力和運(yùn)動的要求外，要有 足夠的強(qiáng)度、剛度外，還應(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 3） 必須考慮工作條件 對于本設(shè)計，機(jī)械手的工作條件是在工作場合中搬運(yùn)加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質(zhì)中，所以對機(jī)械手的腕部沒有太多不利因。 腕部的結(jié)構(gòu) 根據(jù)本設(shè)計的方案，機(jī)械手無需轉(zhuǎn)動，因此無需轉(zhuǎn)動液壓缸，腕部只包含驅(qū)動手爪的直線型液壓缸，因此腕部的結(jié)構(gòu)較簡單。腕部和手爪設(shè)計成一個整體，通過螺栓組與手臂連接。 圖 26 手爪、手腕示意圖 Fig. 26 paws, wrist schemes 如圖 26 所示，機(jī)械手的腕部主要包含一個直線型液壓缸，當(dāng)液壓缸沖入壓力油時 ，液壓缸右腔壓力上升，彈簧壓縮、液壓桿左移，機(jī)械手抓打開夾取物體，當(dāng)液壓缸卸載時，遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 壓力消失，彈簧壓力推動液壓桿右移，此時手爪夾有物體，所以液壓桿不能右移，此時靠彈簧壓力夾緊工件。腕部右端通過螺栓組與手臂連接。 手腕螺栓組的設(shè)計及校核 手腕通過螺栓組與手臂連接，因此要進(jìn)行螺栓組的校核 [6]。螺栓組有兩個水平布置的螺栓組成，采用普通螺栓，通過預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力傳遞載荷。連接螺栓的中心線之間的距離是 30mm，如圖 27 所示。 圖 27 螺栓組受力圖 Fig27 bolt by trying to group 運(yùn)輸機(jī)器人的手爪、工件、手腕可以等效為一個質(zhì)點(diǎn)，等效質(zhì)量為 10kg，重 F=100N，距離螺栓組的中心的距離為 80mm。對螺栓組進(jìn)行受力分析，機(jī)械手手抓、工件、手 腕的等效重力可以等效為作用在螺栓組中心的一個豎直向下的力和一個逆 時針方向的等效力矩。如圖 42 所示 . 重力作用在每個螺栓上的力的力 ： 1F =2F =1002 =50N 翻轉(zhuǎn)力矩 ： M=GL （ 29） M=GL=100? =8NM? 由力矩產(chǎn)生的力 ： 2F =Mr （ 210） 2F =Mr = ? =533N ? maxF = 1F + 2F =50+533=583N 螺 栓和鑄鐵之間加油橡膠墊圈以增加摩擦力，取 ? =， 預(yù)緊力 ： Q= maxF /? =583 N/ =833N 螺釘材料選擇 Q235，取 級， 240s mpa? ? 取安全系數(shù) n= 王林 ： 車間運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計 18 240[ ] 1 6 01 .5s m pan?? ? ? ? 緊螺栓連接在裝配時必須將螺母擰緊，所以螺栓螺紋部分不僅受預(yù)緊力 PQ 所產(chǎn)生的拉應(yīng)力的作用，同時還收螺紋副間的摩擦力矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用。 由于螺栓材料是塑性材料，且受拉伸與扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力，故可按第四強(qiáng)度理論來確定螺栓螺紋部分的應(yīng)力計算，即 2 2 2 23 3 ( 0 .5 ) 1 .3c a T? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? （ 211） 本設(shè)計螺栓為只受預(yù)緊力的緊螺栓連接，這種螺栓連接不受軸向工作載荷，只受預(yù)緊力的作用。預(yù)緊力的大小可由下式來確定。螺栓危險刨面的強(qiáng)度條件為 [ ]ca? ? ??? 即 21 []4PQd ?? ? （ 212） 或 1 4 []PQd ???? （ 213） 1 4 1 .3 8 3 3 2 .9 33 .1 4 1 6 0d m m????? 取 d=5mm為公稱直徑的普通螺栓。 臂部的設(shè)計 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 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離。合理布置作用力的位置和方向。注意簡化結(jié)構(gòu)。提高配合精度。 2）臂部運(yùn)動速度要高，慣性要小 機(jī)械手手部的運(yùn)動速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。對于高速度運(yùn)動的機(jī)械手，其最大移動速度設(shè)計在 100 0 150 0mm s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計在0180s 內(nèi)，大部分平均移動速度為 1000mms ，平均回轉(zhuǎn)角速度在 090s 。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。減少慣量具體有 3 個途徑： 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 減少手臂運(yùn)動件的重量，采用鋁合金材料。 減少臂部運(yùn)動件的輪廓尺寸。 減少回轉(zhuǎn)半徑 ? ，再安排機(jī)械手動作順序時，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動作。 驅(qū)動系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。 3）手臂 動作應(yīng)該靈活 為減少手臂運(yùn)動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機(jī)械手，其傳動件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)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。 臂部的設(shè)計方案 根據(jù)本運(yùn)輸機(jī)器人的設(shè)計方案，機(jī)械手臂只需要上下移動，并不需要伸縮。運(yùn)輸機(jī)器人在導(dǎo)軌上移動，導(dǎo)軌和運(yùn)輸帶末端的距離一定，所以設(shè)計好臂長就能保證機(jī)械手對工件的夾取，那么機(jī)器人的手臂就只有一個上下移動的自由度，而手臂的升降通過機(jī)身 的直線的液壓缸實現(xiàn)。手臂結(jié)構(gòu)如圖 28 所示。 圖 28 手臂示意圖 Figure 2 8 arm schemes 機(jī)械手臂的螺栓組設(shè)計及計算 機(jī)械手臂比較簡單，無旋轉(zhuǎn)液壓缸和直線液壓缸，機(jī)械手臂采用鋁合金材質(zhì)，重量較輕，手臂截面采用工字型結(jié)構(gòu)如圖 29 所示，結(jié)構(gòu)承載能力高。機(jī)械手臂通過螺栓組與機(jī)身連接，手腕通過螺栓組與手臂連接，因此要進(jìn)行螺栓組的校核。螺栓組有兩個水平布置的螺栓組成，采用普通螺栓，通過預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力傳遞載荷。連接螺栓的中心線之間的距離是 60mm。 王林 ： 車間運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計 20 圖 29 手臂截面 Fig. 29 arm section 機(jī)械手手爪、手腕、手臂可以等效成一個 重 12kg，距離螺栓組中心約為 400mm 的重力，根據(jù)理論力學(xué)的知識可以將機(jī)構(gòu)的偏重力等效為一個過螺栓組中心的重力和一個力偶。 重力作用在每個螺栓上的力的力 1F =2F = 1202 =60N 翻轉(zhuǎn)力矩 ： M=GL=120? =48NM? 由力矩產(chǎn)生的力 ： 2F =2ML = 482 ?? =800NM ? maxF = 1F + 2F =60+800=860N 螺栓和鑄鐵之間加油橡膠墊圈以增加摩擦力，取 ? = 預(yù)緊力 ： Q= maxF /? =860N/ =1229N 螺釘材料選擇 Q235，取 級， 240s mpa? ? 取安全系數(shù) n= 240[ ] 1 6 01 .5s m pan?? ? ? ? 緊螺栓 連接在裝配時必須將螺母擰緊，所以螺栓螺紋部分不僅受預(yù)緊力 PQ 所產(chǎn)生的拉應(yīng)力的作用，同時還收螺紋副間的摩擦力矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用。 由于螺栓材料是塑性材料，且受拉伸與扭轉(zhuǎn)復(fù)合應(yīng)力，故可按第四強(qiáng)度理論來確定螺栓螺紋部分的應(yīng)力計算，即 2 2 2 23 3 ( 0 .5 ) 1 .3c a T? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 本設(shè)計螺栓為只受預(yù)緊力的緊螺栓連接，這種螺栓連接不受軸向工作載荷，只受預(yù)緊力的作用。預(yù)緊力的大小可由下式來確定。螺栓危險刨面的強(qiáng)度條件為 [ ]ca? ? ??? 即 21 []4PQd ?? ? 或 1 4 []PQd ???? 1 4 1 .3 1 2 2 9 3 .53 .1 4 1 6 0d m m????? 取 d=10mm為公稱直徑的普通螺栓。 機(jī)身的設(shè)計計算 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動手臂的部件。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動，這些運(yùn)動的傳動機(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。因此，臂部的運(yùn)動越多 ，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。機(jī)身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運(yùn)動。 機(jī)身的整體設(shè)計 機(jī)身承載著手臂， 升降運(yùn)動，是機(jī)械手的重要組成部分。常用的機(jī)身結(jié)構(gòu)有以下幾種 ： 回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(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)動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(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)動部件較大。 活塞缸和齒條齒輪機(jī)構(gòu)。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動是通過齒條齒輪機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)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。 分析： 根據(jù)本設(shè)計的要求，本設(shè)計只要求機(jī)身的升降 。本設(shè)計機(jī)身包括兩個運(yùn)動 ，如圖所示， ?；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?；ㄦI軸與升降缸的下端蓋用鍵來固定，下端蓋與小車的外殼 固定。這樣就固定了花鍵軸，也就通過花鍵軸固定了活塞桿。這種結(jié)構(gòu)是導(dǎo)向桿在內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊。具體結(jié)構(gòu)見圖 210。 王林 ： 車間運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計 22 圖 210 機(jī)身的結(jié)構(gòu) Fig. 210 the structure of the fuselage 手臂偏重力矩的計算 圖 62 手臂各部件中心位置圖 Fig. 62 arm parts center locations 1）零件重量 G工 件、 G爪、 G腕、 G臂等。 =5kgG工 件 現(xiàn)在對機(jī)械手手臂做粗略估算： G爪 和 G腕總共 5Kg 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 =2kgG臂 G?總 G工 件 +G爪 +G腕 +G臂 =12Kg 2)計算零件的重心位置，求出重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離 ? 。 ?工 件 =600mm ?手 和 腕 =500mm ?臂 =200mm G G GG? ? ?? ??? 手 腕 手 腕工 件 工 件 臂 臂總 （ 214） G G GG? ? ?? ??? 手 腕 手 腕工 件 工 件 臂 臂總=492mm 所以，回轉(zhuǎn)半徑 ?? 492mm 3) 計算偏重力矩 MG?? 總偏 MG?? 總偏 =12kg10=59NM[7] 升降不自鎖條件分析計算 手臂在 G總 的作用下有向下的趨勢，而里柱導(dǎo)套有防止這種趨勢。 由力的平衡條件有 ： 1RF = 2RF 1RFh=G總 ? 即 1RF=2RF=Gh?總 所謂的不自鎖條件為： G總 11 2 122 RF F F F f? ? ? ? 即 G總 2? Gh?總 f 2hf?? 取 ? 則 王林 ： 車間運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計 24 ?? 當(dāng) ? =492mm時， ? = 因此在設(shè)計中必須考慮到立柱導(dǎo)套必須大于 。 手臂做升降運(yùn)動的液壓缸驅(qū)動力的計算 F F F F G? ? ? ?慣 摩 密 式中 F摩 — —摩擦阻力 12F Ff?摩 取 f= G—— 零件及工件所受的總重。 1） F慣的 計算 GvFgt?? ?總慣 （ 215） 設(shè)定速度為 ? V=4 minm 。起動或制動的時間差 ? t=。G總近似估算為 80Kg。將數(shù)據(jù)帶入上面公式有： GvF gt?? ?總慣 8 0 9 .8 0 .0 6 7 2689 .8 0 .0 2 ms Ns????? 2） F摩的計算 12 RF F f?摩 128 0 9 . 8 0 . 4 9 2 25070 . 1 5 7RR G K g N K g mF F Nhm? ??? ? ? ?總 12 RF F f??摩2? 2507 ? = 3）液壓缸在這里選擇 O 型密封， 所以密封摩擦力可以通過近似估算 ?密 最后通過以上計算 當(dāng)液壓缸向上驅(qū)動時， F=3575N 當(dāng)液壓缸向下