【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 過(guò)各方面要求進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇出最佳。 機(jī)械手 的配置，如圖 21所示。 機(jī)械手設(shè)置在 控制箱 上方，取料和上料主要靠從機(jī)床上方空間完成動(dòng)作。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 圖 2— 1 機(jī)械手配置 示意圖 機(jī)械手需要滿足功能列舉如下： （ 1） 在機(jī)床加工前后，需要機(jī)械手搬運(yùn)毛坯和成品，輸送線或者是料倉(cāng)一半在機(jī)床旁，因此機(jī)械手需要有 繞豎直軸轉(zhuǎn)動(dòng)的能力 。能滿足上料時(shí)毛坯庫(kù)范圍，下料后成品庫(kù)范圍。 （ 2） 在取料，上料過(guò)程中，為了提高節(jié)拍，需要馬上取料后再裝料，因此需要兩只手同時(shí)操作。 （ 3） 安裝，取料，根據(jù)不同工件毛坯的形態(tài)，需要機(jī)械 手腕 能夠?qū)崿F(xiàn) 擺動(dòng) ，以便于滿足安裝姿態(tài)的需要。 （ 4） 根據(jù)工件的尺寸大小，夾持需要滿足多種尺寸的工件，因此范圍夾持也是機(jī)械手的必須功能。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 根據(jù)機(jī)械手各部分的工作原理及要求，列出原理模塊圖標(biāo)如下 表 21 表 21 機(jī)械手工作原理 功能 A B C 平移 液壓驅(qū)動(dòng) 絲桿螺母驅(qū)動(dòng) 升降 液壓驅(qū)動(dòng) 絲桿螺母驅(qū)動(dòng) 齒輪齒條 仰 電機(jī) ＋ 齒輪 氣動(dòng) 液壓 回轉(zhuǎn) 電機(jī) 氣動(dòng) 液壓 仰 機(jī)電＋氣動(dòng) 機(jī)電 ＋液壓 氣動(dòng) ＋ 液壓 回轉(zhuǎn) 電機(jī) 氣動(dòng) 液壓 方案的 分析 和決策 （ 1） 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是進(jìn)行評(píng)價(jià)的依據(jù)。通常都使用多個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，有的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可用定量的參量表征，有的則不能。 評(píng)價(jià)準(zhǔn)則來(lái)源于設(shè)計(jì)所要達(dá)到的目標(biāo)，具體的說(shuō)，就是從要求明細(xì)表里包含的各項(xiàng)要求和愿望中提取 [8]。 （ 2） 衡量尺度 采用 “ 價(jià)值 ” 或 “ 有效價(jià)值 ” 作為方案評(píng)價(jià)的衡量尺度。 所謂價(jià) 值，是基于實(shí)際的測(cè)量結(jié)果或估計(jì)結(jié)果相對(duì)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行比較得到的主觀認(rèn)識(shí)，具有很大的主觀成分，故又可說(shuō)這一工作是 “ 主觀步驟 ” 。 （ 3） 評(píng)價(jià)方法 本文涉及采用 排除法來(lái)解決方案選擇問(wèn)題，排除法是指針對(duì)多種方案，首先去掉不能滿足功能的方案，再次去掉復(fù)雜繁冗方案最后所得的方案經(jīng)過(guò)探討而決定選用滿足功能價(jià)格低廉的方案 ： 相比機(jī)電，氣動(dòng)，液壓三種動(dòng)力和控制方案， 液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)有 ： 液壓傳動(dòng)目前用得最多的一種傳動(dòng)方式， 壓力可在 130Mpa。液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 械手多用于要求臂力較大而運(yùn)動(dòng)速度較低的工作場(chǎng)合。 （ 1） 驅(qū)動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力 矩較大，臂力可達(dá) 100公斤 ； （ 2） 速度反應(yīng)性較好。因?yàn)楸或?qū)動(dòng)件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當(dāng)不考慮油液的溫度變化時(shí)，被驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的滯后也幾乎沒(méi)有，而且液壓機(jī)構(gòu)的適量輕、 慣性小，因此它的速度反應(yīng)性較好 ； （ 3） 調(diào)速范圍較大，而且可以無(wú)級(jí)調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求 ； （ 4） 傳動(dòng)平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實(shí)現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向 ； （ 5） 在產(chǎn)生相同驅(qū)動(dòng)力的條件下，液壓驅(qū)動(dòng)比其他驅(qū)動(dòng)方式體積小、重量輕、慣性小 。 液壓驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn) ： （ 1） 液壓體積龐大，需要液壓站，不利于在局促空間下布置。 （ 2） 液壓系統(tǒng)噪音大 ，漏油現(xiàn)象常有，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境影響惡劣。 （ 3） 液壓系統(tǒng)造價(jià)高，一般用于重載。 （ 4） 油液中如果混入氣體，將降低傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛性，影響定位精度 (產(chǎn)生爬行 ) 。 （ 5） 油液的溫度和粘度變化影響傳動(dòng)性能。 （ 6） 因?yàn)橐簤阂话銘?yīng)用于重載，在輕載方面，完全可以通過(guò)氣壓傳動(dòng)替代，因此，本方案排除液壓。 相對(duì)于液壓傳動(dòng)與氣壓傳動(dòng)又各有以下特點(diǎn)： 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)有 ： （ 1） 氣壓傳動(dòng)的壓力一般在 40～ 60N/cm2，個(gè)別達(dá)到 80～ 100N/cm2，一般臂力在 300N 以下。 氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，常用于臂力小于 30 公斤、運(yùn)動(dòng)速度較快以及 高溫、低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場(chǎng)合 。 （ 2） 通過(guò)調(diào)節(jié)氣流，就可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速 ； （ 3） 由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手動(dòng)作速度快 ； （ 4） 壓縮空氣可從大氣中吸取，故動(dòng)力源獲得方便、價(jià)格低廉，而且廢氣直接排放在大氣中 ； （ 5） 由于壓縮空氣粘度小，因此在管路中的壓力損失也很小，一般其阻力損失不到油液在油路中損失的千分之一 ； 故壓縮空氣可以集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送 ； 氣動(dòng)驅(qū)動(dòng) 的缺點(diǎn) （ 1） 壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性較差，定位精度較低， （ 2） 壓縮空氣排到大氣中時(shí)噪聲較大 （ 3） 另 外還須考慮潤(rùn)滑和防銹等 （ 4） 耐壓縮空氣的工作壓力較低，致使機(jī)械手結(jié)構(gòu)較大。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 通過(guò) 考慮方案的經(jīng)濟(jì)性，安全性，耗能的合理性等等， 過(guò)多的液壓缸、凸輪等非標(biāo)零件會(huì)造成生產(chǎn)和維修的困難；像凸輪等零件、多級(jí)機(jī)械傳動(dòng)又會(huì)造成定位準(zhǔn)確性差；完全的電子控制會(huì)造成耗能量大的缺點(diǎn)；還要考慮生產(chǎn)時(shí)的機(jī)械穩(wěn)定性和零件的壽命；同時(shí)對(duì)周圍生產(chǎn)環(huán)境的影響 ? 各因素都要加入到各方案中。 綜上 所訴， 對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行組合，可得出最合理的方案： 方案： 1A— 2A— 3A— 4C— 5C— 6C 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 第 3 章 結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)設(shè)計(jì) 式 專用工業(yè) 機(jī)械手總體 方案 圖 31 組合式 工業(yè) 機(jī)械手 機(jī)械手主要由 6個(gè) 模塊 組成，分別是 1 手臂回轉(zhuǎn)模塊、 2 手臂升降模塊、 3手臂伸縮模塊、 4 手腕俯仰模塊、 5 夾持器回轉(zhuǎn)模塊、 6夾持器 。 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，極限擺動(dòng)角度為 220176。 。手臂升降液壓缸帶動(dòng)手臂上下移動(dòng)，與回轉(zhuǎn)缸相連隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，極限行程為300mm。手臂橫移液壓缸帶動(dòng)手腕模塊、夾持器模塊伸縮。手腕模塊固定在手臂上，擺動(dòng)角度 90176。 ，靠一個(gè)雙作用式活塞液壓缸推動(dòng)完成動(dòng)作。夾持器模塊固定在手腕上，夾持器可以繞操縱軸旋轉(zhuǎn) 180176。 ，靠 一個(gè) 單葉片 式回轉(zhuǎn)液壓缸推動(dòng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。夾持器動(dòng)作依靠單作用式活塞液壓缸推動(dòng)實(shí)現(xiàn)，回程靠彈簧推動(dòng)。 部件設(shè)計(jì) 機(jī)械手 的 手臂回轉(zhuǎn)模塊 設(shè)計(jì) 機(jī)械手手臂回轉(zhuǎn)是最基本運(yùn)動(dòng)之一，其定位精度要求最高，需要機(jī)械手快速、準(zhǔn)確的擺動(dòng)到需要達(dá)到位置。 手臂回轉(zhuǎn)缸 的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為： 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 （ 1） 定位精度 回轉(zhuǎn)缸的運(yùn)動(dòng)是處于最底層的運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)位置對(duì)夾持器的位置起著決定作用 ，手腕俯仰動(dòng)作對(duì)其位置不能調(diào)整，所以位置精度要求最高。 （ 2） 密封 要求 由于采用液壓驅(qū)動(dòng)，液壓油的密封問(wèn)題成了很重要的問(wèn)題，液壓油的泄露會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重污染，也會(huì)導(dǎo)致 傳動(dòng)精度不準(zhǔn)確。 （ 3） 螺釘 連接 強(qiáng)度要求 對(duì)于液壓缸來(lái)說(shuō)，由于要保證液壓缸傳動(dòng)所需要的壓力， 螺釘連接缸體跟端蓋，如果連接強(qiáng)度不夠，會(huì)導(dǎo)致液壓缸密封出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致泄漏。 （ 4） 法蘭盤強(qiáng)度要求 由于整個(gè)回轉(zhuǎn)模塊處于最底層，剩下模塊的重量直接作用在連接法蘭盤上，為了保證法蘭盤的強(qiáng)度，不被壓潰，需要合理設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)，合理選擇材料。 （ 5） 螺栓連接強(qiáng)度要求 由于用螺栓把回轉(zhuǎn)缸固定在基座上，當(dāng)機(jī)械手夾取工件時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的傾覆力矩，為了保證整體連接強(qiáng)度，需要選取合適的螺栓。 （ 6） 整體協(xié)調(diào) 對(duì)于機(jī)器的要求不僅要滿足要求，還 應(yīng)美觀大方 ，其結(jié)構(gòu)應(yīng)該與別的模塊結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)。 （ 7） 其他 如散熱要求，防腐蝕要求等等。 液壓缸 設(shè)計(jì) 如圖 32： 圖 32 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 回轉(zhuǎn)液壓缸主要由缸體、前后端蓋、軸、軸承、動(dòng)片、靜片組成，缸體圓周上有進(jìn)油口、出油口，依靠液壓油推動(dòng)動(dòng)片與軸轉(zhuǎn)動(dòng)，動(dòng)片用緊定螺釘固定在軸上，靜片用定位銷與螺釘與缸體連接，靜片用來(lái)保證擺動(dòng)的極限位置，前后端蓋與缸體用螺釘連接。 手臂升降模塊 的設(shè)計(jì) 圖 33 手臂升降液壓缸 此液壓缸采用拉桿連接式雙作用活塞液壓缸，兩端設(shè)置有擋塊，最大行程為300mm，一共有四根拉桿，起到導(dǎo)向作用，另外還有三根加強(qiáng)桿。 此模塊需要考慮的問(wèn)題： （ 1） 密封問(wèn)題 由于采用液壓傳動(dòng)，液壓油的泄露問(wèn)題是設(shè)計(jì)者必須考慮的。 （ 2） 連接部分強(qiáng)度 由于 此液壓缸豎直放置，上面有重量很大的三個(gè)模塊，連接部分用螺栓連 當(dāng)夾取工件時(shí)會(huì)有很大的傾覆力矩，連接處螺栓強(qiáng)度要保證。 （ 3） 活塞桿穩(wěn)定性 由于活塞桿最大伸出長(zhǎng)度為 300mm，當(dāng)處于極限位置時(shí)，由于負(fù)載很大可能導(dǎo)致活塞桿失穩(wěn)，因此要保證活塞桿的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。 （ 4） 定位精度 需要保證液壓缸停在任意位置，以適應(yīng)夾取不同位置工件的情況，所以 需要有定位精度。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 （ 5） 回程自鎖 此液壓缸是豎直放置，當(dāng)達(dá)到行程時(shí)需要自鎖，這個(gè)靠液壓自鎖回路保證。 手臂伸縮模塊 手臂伸縮液壓缸結(jié)構(gòu)如圖所示： 圖 34 手臂伸縮液壓缸 機(jī)械臂伸縮的動(dòng)力來(lái)自液壓系統(tǒng)，由于行程為 600mm，導(dǎo)致活塞桿伸出長(zhǎng)度太長(zhǎng)，在夾取工件時(shí)會(huì)導(dǎo)致活塞桿末端撓度過(guò)大，因此采用了拉桿式連接液壓缸，拉桿還起到了導(dǎo)向作用，另外還有三根加強(qiáng)桿，可以在活塞伸最長(zhǎng)時(shí)提高其強(qiáng)度。 設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題： （ 1） 密封問(wèn)題 （ 2） 活塞桿的強(qiáng)度 由于才有了拉桿 式連接，并且加了三根加強(qiáng)桿，因此活塞桿的強(qiáng)度得到了加強(qiáng)，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮材料選取即可。 （ 3） 液壓缸的重量 由于伸縮模塊安裝在頂端，重量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致升降模塊承受負(fù)載過(guò)大，所以其重量不需要盡可能的輕。 手腕俯仰動(dòng)作用雙作用式活塞液壓缸推動(dòng)實(shí)現(xiàn)，液壓缸結(jié)構(gòu)如圖所示： 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 圖 3— 5 俯仰支撐缸 手腕部分需要能夠俯仰 90176。 ，以便調(diào)節(jié)夾持器的位置。再設(shè)計(jì)此液壓缸時(shí)需要考慮的問(wèn)題有： （ 1） 液壓缸的行程 此處不需要有定位，液壓缸只有兩個(gè)工作位置，在設(shè)計(jì)時(shí)只需要保證極限位置即可。 （ 2） 液壓缸的壓力 為了保證能夠順利推動(dòng)工件，液壓缸的壓力必須合適。 （ 3） 連接部分強(qiáng)度 由于多個(gè)部分采用鉸鏈連接，所以破壞了軸的強(qiáng)度，鉸鏈連接要有足夠的強(qiáng)度。 設(shè)計(jì) 夾持器 是用來(lái)抓取工件的部分。 夾持器 抓取工件要滿足迅速，靈活，準(zhǔn)確和可靠的要求，所以機(jī)械手的 夾持器 是機(jī)械手的關(guān)鍵部位之一。設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)時(shí)，首先應(yīng)從機(jī)械手的坐標(biāo)形式，運(yùn)動(dòng)速度和加速度的情況來(lái)考慮，其夾緊力的大小則應(yīng)根據(jù)物體的重量，慣性和沖擊力的大小來(lái)確定，同時(shí)要考慮到有足夠的開(kāi)口尺寸，以適應(yīng)工件的尺寸變化，為了防止夾壞工件，夾緊力應(yīng)在一定的范圍內(nèi)，并鑲有軟質(zhì)墊片，彈性襯墊或自動(dòng)定心結(jié)構(gòu)。夾緊結(jié)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，動(dòng)作靈活和工作可靠。 夾緊機(jī)構(gòu)的分類： 夾緊機(jī)構(gòu)形式多樣，有機(jī)械式；吸盤式和電磁式等。有的夾緊機(jī)構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶 工具進(jìn)行操作的裝置。本設(shè)計(jì)的夾緊機(jī)構(gòu)采用機(jī)械式，下面對(duì)機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)介紹如下： 機(jī)械式夾緊機(jī)構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運(yùn)動(dòng)方式和模仿人手動(dòng)作可分為回轉(zhuǎn)型、直進(jìn)型；按夾持方式可分為內(nèi)撐式，外撐式和自鎖式；按手指數(shù)目可分為三指式，二指式；按動(dòng)力源則分為彈簧式、氣動(dòng)式、液長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 壓式等。 機(jī)械夾緊機(jī)構(gòu)是由驅(qū)動(dòng)元件，手爪支持部件，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，手指及各種墊片，附件等組成。 （ 1）驅(qū)動(dòng)元件：主要有油缸，彈簧等。 （ 2）手爪支持部件：一般固定在手腕和手臂上，而驅(qū)動(dòng)件，傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)和手指安裝在手爪的支持部件上； （ 3）傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：是把活塞桿的運(yùn)動(dòng)變成手指開(kāi)閉運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，有 齒條，齒輪機(jī)構(gòu)杠桿滑槽機(jī)構(gòu)，及鉸鏈連桿機(jī)構(gòu)等。它不僅把活塞桿的運(yùn)動(dòng)傳遞給手指，而且又將這個(gè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成為力的倍增機(jī)構(gòu)。 圖 36 回轉(zhuǎn)液壓缸 見(jiàn)圖 37，夾持器 回轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)動(dòng)作 ，極限回轉(zhuǎn)角度為 180176。 夾持器機(jī)構(gòu)如下圖所示，手指動(dòng)作依靠活塞桿的推動(dòng)完成，回程動(dòng)作用彈簧完成 。 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 圖 37 夾持器 長(zhǎng)春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 第 4 章 部件計(jì)算與校核 計(jì)算 臂部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)根據(jù)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支撐處的摩擦力矩 計(jì)算。由于啟動(dòng)過(guò)程一般不是等加速運(yùn)動(dòng)，故最大驅(qū)動(dòng)力要比理論平均值 大 些，一般為平均值的 倍，驅(qū)動(dòng)力矩 Mq可按下式計(jì)算： qM =（ Mm +Mg ）（ N178。 m） （式 4..） 式中 Mm—— 各支承處的摩擦力矩； Mg—— 啟動(dòng)時(shí)慣性力矩，一般可按下式計(jì)算： Mg=J*ω /t 式中 J—— 手臂部件對(duì)其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ω —— 手臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 (弧度 /s)； t—— 起動(dòng)過(guò)程所需的時(shí)間 (s)。 在本設(shè)計(jì)中，測(cè)得 J=77（㎏178。㎡） 本設(shè)計(jì)中，工作角速度為 60176。 /s，啟動(dòng)時(shí)間 由 計(jì)算得： Mq=786（ N178。