【文章內(nèi)容簡介】 過各方面要求進行評價，選擇出最佳。 機械手 的配置，如圖 21所示。 機械手設(shè)置在 控制箱 上方，取料和上料主要靠從機床上方空間完成動作。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 圖 2— 1 機械手配置 示意圖 機械手需要滿足功能列舉如下： （ 1） 在機床加工前后，需要機械手搬運毛坯和成品，輸送線或者是料倉一半在機床旁，因此機械手需要有 繞豎直軸轉(zhuǎn)動的能力 。能滿足上料時毛坯庫范圍，下料后成品庫范圍。 （ 2） 在取料，上料過程中，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操作。 （ 3） 安裝，取料，根據(jù)不同工件毛坯的形態(tài)，需要機械 手腕 能夠?qū)崿F(xiàn) 擺動 ，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械手的必須功能。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 根據(jù)機械手各部分的工作原理及要求，列出原理模塊圖標如下 表 21 表 21 機械手工作原理 功能 A B C 平移 液壓驅(qū)動 絲桿螺母驅(qū)動 升降 液壓驅(qū)動 絲桿螺母驅(qū)動 齒輪齒條 仰 電機 ＋ 齒輪 氣動 液壓 回轉(zhuǎn) 電機 氣動 液壓 仰 機電＋氣動 機電 ＋液壓 氣動 ＋ 液壓 回轉(zhuǎn) 電機 氣動 液壓 方案的 分析 和決策 （ 1） 評價準則 評價準則是進行評價的依據(jù)。通常都使用多個評價準則，有的評價準則可用定量的參量表征，有的則不能。 評價準則來源于設(shè)計所要達到的目標，具體的說，就是從要求明細表里包含的各項要求和愿望中提取 [8]。 （ 2） 衡量尺度 采用 “ 價值 ” 或 “ 有效價值 ” 作為方案評價的衡量尺度。 所謂價 值，是基于實際的測量結(jié)果或估計結(jié)果相對評價準則進行比較得到的主觀認識，具有很大的主觀成分，故又可說這一工作是 “ 主觀步驟 ” 。 （ 3） 評價方法 本文涉及采用 排除法來解決方案選擇問題，排除法是指針對多種方案，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)過探討而決定選用滿足功能價格低廉的方案 ： 相比機電，氣動，液壓三種動力和控制方案， 液壓驅(qū)動的特點有 ： 液壓傳動目前用得最多的一種傳動方式， 壓力可在 130Mpa。液壓驅(qū)動機長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 械手多用于要求臂力較大而運動速度較低的工作場合。 （ 1） 驅(qū)動力和驅(qū)動力 矩較大，臂力可達 100公斤 ； （ 2） 速度反應(yīng)性較好。因為被驅(qū)動件的速度快慢取決于油液的容積變化，所以當不考慮油液的溫度變化時，被驅(qū)動系統(tǒng)的滯后也幾乎沒有，而且液壓機構(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，而且可以無級調(diào)速，易于適應(yīng)不同的工作要求 ； （ 4） 傳動平穩(wěn)，能吸收沖擊力，可以實現(xiàn)較頻繁而平穩(wěn)的換向 ； （ 5） 在產(chǎn)生相同驅(qū)動力的條件下，液壓驅(qū)動比其他驅(qū)動方式體積小、重量輕、慣性小 。 液壓驅(qū)動的缺點 ： （ 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，對現(xiàn)場環(huán)境影響惡劣。 （ 3） 液壓系統(tǒng)造價高，一般用于重載。 （ 4） 油液中如果混入氣體，將降低傳動機構(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性能。 （ 6） 因為液壓一般應(yīng)用于重載，在輕載方面，完全可以通過氣壓傳動替代，因此，本方案排除液壓。 相對于液壓傳動與氣壓傳動又各有以下特點： 氣動驅(qū)動的特點有 ： （ 1） 氣壓傳動的壓力一般在 40～ 60N/cm2，個別達到 80～ 100N/cm2，一般臂力在 300N 以下。 氣壓驅(qū)動的機械手，常用于臂力小于 30 公斤、運動速度較快以及 高溫、低溫、高粉塵等工作條件較惡劣的場合 。 （ 2） 通過調(diào)節(jié)氣流，就可實現(xiàn)無級變速 ； （ 3） 由于壓縮空氣粘性小，流速大，因此氣壓驅(qū)動的機械手動作速度快 ； （ 4） 壓縮空氣可從大氣中吸取，故動力源獲得方便、價格低廉，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)，遠距離輸送 ； 氣動驅(qū)動 的缺點 （ 1） 壓縮空氣的壓縮性較大，因此使機械手的運動平穩(wěn)性較差，定位精度較低， （ 2） 壓縮空氣排到大氣中時噪聲較大 （ 3） 另 外還須考慮潤滑和防銹等 （ 4） 耐壓縮空氣的工作壓力較低，致使機械手結(jié)構(gòu)較大。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 11 通過 考慮方案的經(jīng)濟性，安全性，耗能的合理性等等， 過多的液壓缸、凸輪等非標零件會造成生產(chǎn)和維修的困難；像凸輪等零件、多級機械傳動又會造成定位準確性差；完全的電子控制會造成耗能量大的缺點；還要考慮生產(chǎn)時的機械穩(wěn)定性和零件的壽命；同時對周圍生產(chǎn)環(huán)境的影響 ? 各因素都要加入到各方案中。 綜上 所訴， 對各個部分進行組合，可得出最合理的方案： 方案： 1A— 2A— 3A— 4C— 5C— 6C 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 第 3 章 結(jié)構(gòu)評價設(shè)計 式 專用工業(yè) 機械手總體 方案 圖 31 組合式 工業(yè) 機械手 機械手主要由 6個 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)液壓缸帶動整個機械手旋轉(zhuǎn)，極限擺動角度為 220176。 。手臂升降液壓缸帶動手臂上下移動，與回轉(zhuǎn)缸相連隨之轉(zhuǎn)動，極限行程為300mm。手臂橫移液壓缸帶動手腕模塊、夾持器模塊伸縮。手腕模塊固定在手臂上，擺動角度 90176。 ，靠一個雙作用式活塞液壓缸推動完成動作。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 單葉片 式回轉(zhuǎn)液壓缸推動實現(xiàn)動作。夾持器動作依靠單作用式活塞液壓缸推動實現(xiàn)，回程靠彈簧推動。 部件設(shè)計 機械手 的 手臂回轉(zhuǎn)模塊 設(shè)計 機械手手臂回轉(zhuǎn)是最基本運動之一，其定位精度要求最高，需要機械手快速、準確的擺動到需要達到位置。 手臂回轉(zhuǎn)缸 的設(shè)計準則為： 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 13 （ 1） 定位精度 回轉(zhuǎn)缸的運動是處于最底層的運動，其運動位置對夾持器的位置起著決定作用 ，手腕俯仰動作對其位置不能調(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，液壓油的密封問題成了很重要的問題，液壓油的泄露會導(dǎo)致嚴重污染，也會導(dǎo)致 傳動精度不準確。 （ 3） 螺釘 連接 強度要求 對于液壓缸來說，由于要保證液壓缸傳動所需要的壓力， 螺釘連接缸體跟端蓋，如果連接強度不夠，會導(dǎo)致液壓缸密封出現(xiàn)問題，導(dǎo)致泄漏。 （ 4） 法蘭盤強度要求 由于整個回轉(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度，不被壓潰，需要合理設(shè)計其結(jié)構(gòu)，合理選擇材料。 （ 5） 螺栓連接強度要求 由于用螺栓把回轉(zhuǎn)缸固定在基座上，當機械手夾取工件時會產(chǎn)生很大的傾覆力矩，為了保證整體連接強度，需要選取合適的螺栓。 （ 6） 整體協(xié)調(diào) 對于機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 如圖 32： 圖 32 手臂回轉(zhuǎn)液壓缸 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 14 回轉(zhuǎn)液壓缸主要由缸體、前后端蓋、軸、軸承、動片、靜片組成，缸體圓周上有進油口、出油口，依靠液壓油推動動片與軸轉(zhuǎn)動，動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，靜片用來保證擺動的極限位置，前后端蓋與缸體用螺釘連接。 手臂升降模塊 的設(shè)計 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，另外還有三根加強桿。 此模塊需要考慮的問題： （ 1） 密封問題 由于采用液壓傳動，液壓油的泄露問題是設(shè)計者必須考慮的。 （ 2） 連接部分強度 由于 此液壓缸豎直放置，上面有重量很大的三個模塊，連接部分用螺栓連 當夾取工件時會有很大的傾覆力矩，連接處螺栓強度要保證。 （ 3） 活塞桿穩(wěn)定性 由于活塞桿最大伸出長度為 300mm，當處于極限位置時，由于負載很大可能導(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。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 15 （ 5） 回程自鎖 此液壓缸是豎直放置，當達到行程時需要自鎖，這個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 機械臂伸縮的動力來自液壓系統(tǒng)，由于行程為 600mm，導(dǎo)致活塞桿伸出長度太長，在夾取工件時會導(dǎo)致活塞桿末端撓度過大，因此采用了拉桿式連接液壓缸，拉桿還起到了導(dǎo)向作用，另外還有三根加強桿，可以在活塞伸最長時提高其強度。 設(shè)計時需要考慮的問題： （ 1） 密封問題 （ 2） 活塞桿的強度 由于才有了拉桿 式連接，并且加了三根加強桿，因此活塞桿的強度得到了加強，在設(shè)計時考慮材料選取即可。 （ 3） 液壓缸的重量 由于伸縮模塊安裝在頂端，重量過大會導(dǎo)致升降模塊承受負載過大，所以其重量不需要盡可能的輕。 手腕俯仰動作用雙作用式活塞液壓缸推動實現(xiàn)，液壓缸結(jié)構(gòu)如圖所示： 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 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)計此液壓缸時需要考慮的問題有： （ 1） 液壓缸的行程 此處不需要有定位，液壓缸只有兩個工作位置，在設(shè)計時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工件，液壓缸的壓力必須合適。 （ 3） 連接部分強度 由于多個部分采用鉸鏈連接，所以破壞了軸的強度，鉸鏈連接要有足夠的強度。 設(shè)計 夾持器 是用來抓取工件的部分。 夾持器 抓取工件要滿足迅速，靈活，準確和可靠的要求，所以機械手的 夾持器 是機械手的關(guān)鍵部位之一。設(shè)計夾緊機構(gòu)時，首先應(yīng)從機械手的坐標形式，運動速度和加速度的情況來考慮，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確定，同時要考慮到有足夠的開口尺寸，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，彈性襯墊或自動定心結(jié)構(gòu)。夾緊結(jié)構(gòu)本身則應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，動作靈活和工作可靠。 夾緊機構(gòu)的分類： 夾緊機構(gòu)形式多樣，有機械式；吸盤式和電磁式等。有的夾緊機構(gòu)還帶有傳感裝置和攜帶 工具進行操作的裝置。本設(shè)計的夾緊機構(gòu)采用機械式，下面對機械式夾緊機構(gòu)介紹如下： 機械式夾緊機構(gòu)是最基本的一種，應(yīng)用廣泛，種類繁多。如按手指運動方式和模仿人手動作可分為回轉(zhuǎn)型、直進型；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；按動力源則分為彈簧式、氣動式、液長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 17 壓式等。 機械夾緊機構(gòu)是由驅(qū)動元件，手爪支持部件，傳動機構(gòu)，手指及各種墊片，附件等組成。 （ 1）驅(qū)動元件：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)動件，傳動 機構(gòu)和手指安裝在手爪的支持部件上； （ 3）傳動機構(gòu)：是把活塞桿的運動變成手指開閉運動的機構(gòu)，有 齒條，齒輪機構(gòu)杠桿滑槽機構(gòu)，及鉸鏈連桿機構(gòu)等。它不僅把活塞桿的運動傳遞給手指，而且又將這個機構(gòu)設(shè)計成為力的倍增機構(gòu)。 圖 36 回轉(zhuǎn)液壓缸 見圖 37，夾持器 回轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)回轉(zhuǎn)動作 ，極限回轉(zhuǎn)角度為 180176。 夾持器機構(gòu)如下圖所示，手指動作依靠活塞桿的推動完成，回程動作用彈簧完成 。 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 18 圖 37 夾持器 長春理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 19 第 4 章 部件計算與校核 計算 臂部回轉(zhuǎn)的驅(qū)動力矩應(yīng)根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉(zhuǎn)部件支撐處的摩擦力矩 計算。由于啟動過程一般不是等加速運動，故最大驅(qū)動力要比理論平均值 大 些，一般為平均值的 倍，驅(qū)動力矩 Mq可按下式計算： qM =（ Mm +Mg ）（ N178。 m） （式 4..） 式中 Mm—— 各支承處的摩擦力矩； Mg—— 啟動時慣性力矩，一般可按下式計算： Mg=J*ω /t 式中 J—— 手臂部件對其回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量； ω —— 手臂轉(zhuǎn)動的角速度 (弧度 /s)； t—— 起動過程所需的時間 (s)。 在本設(shè)計中，測得 J=77（㎏178。㎡） 本設(shè)計中，工作角速度為 60176。 /s，啟動時間 由 計算得： Mq=786（ N178。