【文章內容簡介】 夾緊缸采用了平行缸底，且底部設有油孔，則底部厚度為考慮結構要求，取h=10mm式中： D——缸筒內徑 ——液壓缸最大工作壓力，取 ——缸底材料的許用應力，材料為45號鋼，n為安全系數(shù)，取n=5。② 缸筒底部聯(lián)接強度計算缸筒底部采用螺釘聯(lián)接法蘭式缸頭，材料為35號鋼，聯(lián)接圖如下：圖2 外卡環(huán)聯(lián)接圖卡環(huán)尺寸一般?。? 外卡環(huán)ab側面的擠壓應力為： 缸筒危險截面AA上的拉應力故知缸筒底部聯(lián)接安全。③ 缸筒端部聯(lián)接強度計算缸筒端部與手指是用螺釘聯(lián)接，聯(lián)接圖如下：圖3 螺釘聯(lián)接圖螺紋處的拉應力： 螺紋處的剪應力：則合成應力：則知螺紋連接處安全可靠。 其中：K——擰緊螺紋的系數(shù)，取K=3 ——螺紋連接處的摩擦系數(shù)， ——螺紋外徑， ——螺紋底徑， Z——螺釘數(shù)量，Z=4二、 腕部的結構(一) 概述腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。設計腕部時要注意以下幾點：① 結構緊湊，重量盡量輕。② 轉動靈活，密封性要好。③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個自由度的位置檢測、管線的布置以及潤滑、維修、調整等問題 ④ 要適應工作環(huán)境的需要。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內部通過，以便手腕轉動時管路不扭轉和不外露，使外形整齊。(二) 腕部的結構形式 本機械手采用回轉油缸驅動實現(xiàn)腕部回轉運動，結構緊湊、體積小，但密封性差，回轉角度為177。115176。. 如下圖所示為腕部的結構，定片與后蓋，回轉缸體和前蓋均用螺釘和銷子進行連接和定位，動片與手部的夾緊油缸缸體用鍵連接。夾緊缸體也指座固連成一體。當回轉油缸的兩腔分別通入壓力油時，驅動動片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉動，即為手腕的回轉運動。 圖3 機械手的腕部結構(三) 手腕驅動力矩的計算 驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉動的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。手腕轉動時所需要的驅動力矩可按下式計算： 式中：——驅動手腕轉動的驅動力矩 ——慣性力矩 ——參與轉動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉缸體的動片）對轉動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 ——手腕轉動軸與支承孔處的摩擦力矩 腕部回轉力矩計算圖1. 摩擦阻力矩M摩 式中： f——軸承的摩擦系數(shù)，滾動軸承取f=～，滑動軸承取f=； N1 、N2 ——軸承支承反力 （N）； D1 、D2 ——軸承直徑（m）由設計知D1= D2= N1=800N N2=200N G1=294N e= 得 M摩 =（）2. 工件重心引起的偏置力矩 式中 G1——工件重量（N） e——偏心距（即工件重心到碗回轉中心線的垂直距離），當工件重心與手腕回轉中心線重合時，為零 當e=，G1=294N時 = （Nm） 3. 腕部啟動時的慣性阻力矩M慣 ① 當知道手腕回轉角速度時，可用下式計算 式中 ——手腕回轉角速度 （1/s） t——手腕啟動過程中所用時間（s），（假定啟動過程中近為加速運動）～ J——手腕回轉部件對回轉軸線的轉動慣量（kgm） ——工件對手腕回轉軸線的轉動慣量 （kgm） 按已知計算: 故 = （Nm） 考慮到驅動缸密封摩擦損失等因素，一般將M取大一些，可?。阂虼?，得4. 回轉液壓缸所產(chǎn)生的驅動力矩計算回轉液壓缸所產(chǎn)生的驅動力矩必須大干總的阻力矩。下圖為機械手的手腕回轉液壓缸，定片1與缸體2固定連接，動片3與轉軸5固定連接，當a、b口分別進出油時，動片帶動轉軸回轉，達到手腕回轉目的?；剞D缸簡圖1定片 2缸體 3動片 4密封圈 5轉軸式中：——手腕回轉時的總的阻力矩 p——回轉液壓缸的工作壓力 R——缸體內孔半徑 r——輸出軸半徑 b——動片寬度三、 臂部的結構(一) 概述 臂部是機械手的主要執(zhí)行部件，其作用是支承手部和腕部，并將被抓取的工件傳送到給定位置和方位上，因而一般機械手的手臂有三個自由度，即手臂的伸縮、左右回轉和升降運動。手臂的回轉和升降運動是通過立柱來實現(xiàn)的。立柱的橫向移動即為手臂的橫向移動。手臂的各種運動通常由驅動機構和各種傳動機構來實現(xiàn)，因此，它不僅僅承受被抓取工件的重量，而且承受手部、手腕、和手臂自身的重量。手臂的結構、工作范圍、靈活性以及抓重大?。幢哿Γ┖投ㄎ痪鹊榷贾苯佑绊憴C械手的工作性能，所以必須根據(jù)機械手的抓取重量、運動形式、自由度數(shù)、運動速度及其定位精度的要求來設計手臂的結構型式。同時，設計時必須考慮到手臂的受力情況、油缸及導向裝置的布置、內部管路與手腕的連接形式等因素。因此設計臂部時一般要注意下述要求： ① 剛度要大 為防止臂部在運動過程中產(chǎn)生過大的變形，手臂的截面形狀的選擇要合理。弓字形截面彎曲剛度一般比圓截面大；空心管的彎曲剛度和扭曲剛度都比實心軸大得多。所以常用鋼管作臂桿及導向桿，用工字鋼和槽鋼作支承板。 ② 導向性要好 為防止手臂在直線移動中，沿運動軸線發(fā)生相對運動，或設置導向裝置，或設計方形、花鍵等形式的臂桿。 ③ 偏重力矩要小 所謂偏重力矩就是指臂部的重量對其支承回轉軸所產(chǎn)生的靜力矩。為提高機器人的運動速度，要盡量減少臂部運動部分的重量，以減少偏重力矩和整個手臂對回轉軸的轉動慣量。 ④ 運動要平穩(wěn)、定位精度要高 由于臂部運動速度越高、重量越大，慣性力引起的定位前的沖擊也就越大，運動即不平穩(wěn)，定位精度也不會高。故應盡量減少小臂部運動部分的重量，使結構緊湊、重量輕，同時要采取一定的緩沖措施。(二) 手臂直線運動機構 機械手手臂的伸縮、升降均屬于直線運動，而實現(xiàn)手臂往復直線運動的機構形式比較多，常用的有活塞油（氣）缸、活塞缸和齒輪齒條機構、絲桿螺母機構以及活塞缸和連桿機構。 這里實現(xiàn)直線往復運動是采用液壓驅動的活塞油缸。由于活塞油缸的體積小、重量輕，因而在機械手的手臂機構中應用比較多。如下圖所示為雙導向桿手臂的伸縮結構。手臂和手腕是通過連接板安裝在升降油缸的上端，當雙作用油缸1的兩腔分別通入壓力油時，則推動活塞桿2（即手臂）作往復直線運動。導向桿3在導向套4內移動，以防止手臂伸縮時的轉動（并兼做手腕回轉缸6及手部7的夾緊油缸用的輸油管道）。由于手臂的伸縮油缸安裝在兩導向桿之間，由導向桿承受彎曲作用，活塞桿只受拉壓作用，故受力簡單，傳動平穩(wěn)，外形整齊美觀，結構緊湊。可用于抓重大、行程較長的場合。 圖5 雙導向桿手臂的伸縮結構 導向裝置 液壓驅動的機械手手臂在進行伸縮（或升降）運動時，為了防止手臂繞軸線發(fā)生轉動，以保證手指的正確方向，并使活塞桿不受較大的彎曲力矩的作用，以增加手臂的剛性，在設計手臂的結構時，必須采用適當?shù)膶蜓b置。它根據(jù)手臂的安裝形式，具體的結構和抓取重量等因素加以確定，同時在結構設計和布局上應盡量減少運動部件的重量和減少手臂對回轉中心的轉動慣量。目前采用的導向裝置有單導向桿、雙導向桿、四導向桿和其他的導向裝置，本機械手采用的是雙導向桿導向機構。 雙導向桿配置在手臂伸縮油缸兩側，并兼做手部和手腕油路的管道。對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支承架，以提高導向桿的剛性。 如圖5所示，對于伸縮行程大的手臂，為了防止導向桿懸伸部分的彎曲變形，可在導向桿尾部增設輔助支承架，以提高導向桿的剛性。如下圖所示，在導向桿1的尾端用支承架4將兩個導向桿連接起來，支承架的兩側安裝兩個滾動軸承2，當導向桿隨同伸縮缸的活塞桿一起移動時，支承架上的滾動軸承就在支承板3的支承面上滾動。 雙導向桿手臂結構 手臂的升降運動 如圖6所示為手臂的升降運動機構。當升降缸上下兩腔通壓力油時，活塞杠4做上下運動，活塞缸體2固定在旋轉軸上。由活塞桿帶動套筒3做升降運動。其導向作用靠立柱的平鍵9實現(xiàn)。圖中6為位置檢測裝置。 圖6 手臂升降和回轉機構圖(三) 手臂回轉運動 實現(xiàn)手臂回轉運動的機構形式是多種多樣的，常用的有回轉缸、齒輪傳動機構、鏈輪傳動機構、連桿機構等。本機械手采用齒條缸式臂回轉機構，如圖6所示，回轉運動由齒條活塞桿8驅動齒輪，帶動配油軸和缸體一起轉動，再通過缸體上的平鍵9帶動外套一起轉動實現(xiàn)手臂的回轉。(四) 手臂的設計計算 為便于進行液壓機械手的設計計算，我們分別敘述伸縮液壓缸、升降液壓缸、回轉液壓缸的設計計算，解決臂部運動驅動力的計算問題，結合前面有關臂部和機身的結構設計，最終定出臂部和機身的結構。計算臂部運動驅動力（包括力矩）時，要把臂部所受的全部負荷考慮進去。機械手工作時，臂部所受的負荷主要有慣性力、摩擦力和重力等。1. 手臂水平伸縮缸的設計計算(1) 作水平伸縮在線運動液壓缸的驅動力手臂做水平伸縮運動時，首先要克服摩擦阻力，包括油缸與活塞之間的摩擦阻力及導向桿與支承滑套之間的摩擦阻力等，還要克服啟動過程中的慣性力及加油背壓等幾方面的阻力。其理論驅動力可按下式計算： 估計參與手臂伸縮運動部件總重量,且重心位置距導向套前端面距離為200mm。① 的計算：由于導向桿對稱分布，導向桿受力均衡，可按一個導向桿計算。由 知，又 則 其中： L——重心距導向套前端距離, a ——導向套長度，300mm 181。 ——當量摩擦系數(shù)，取181。=② 的計算：當液壓缸的工作壓力小于 ，活塞桿直徑為液壓缸直徑的一半，則活塞和活塞桿都采用O型密封圈，此時液壓缸的密封阻力為：③ 計算： 一般背壓阻力較小，④ 的計算：式中：Δv——由靜止加速到常速的變化量Δt——起動過程時間，～，取Δt=則：得：= 實際驅動力式中： k——安全系數(shù)，k=2；η——傳力機構機械效率，η=.(2) 確定液壓缸的結構尺寸液壓缸內徑的結構尺寸，如圖，當進入無桿腔 當油進入有桿腔液壓缸的有效面積：因此，取D=63mm式中：F——驅動力 ——液壓缸的工作壓力 d——活塞桿直徑 D——液壓缸內徑 η——液壓缸機械效率， 。(3) 液壓缸臂厚計算此缸工作壓力為，屬低壓，則缸筒臂厚采用薄壁計算公式式中：——液壓缸內工作壓力 d——強度系數(shù)，無縫鋼管ф=1 C——計入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般圓整到標準臂厚值 D——液壓缸內徑(4) 聯(lián)接螺釘強度計算取螺釘數(shù)目Z=4，工作載荷：預緊力則，查手冊取螺紋直徑，p=,材料為35號鋼的內六角螺釘。2. 升降缸的設計計算① 臂垂直升降運動驅動力的計算 手臂作垂直運動時，除克服摩擦阻力和慣性力之外，還要克服臂部運動部件的重力，故其驅動力可按下式計算： 其中： ——各支承處的摩擦力（N），f=； ——同上， ——同上， —— G——臂部運動部件及工件的總重量（N），490N； 177。——上升時為正，下降時為負。則：得出，F(xiàn)=727N② 結構尺寸的確定缸內徑計算：，取D=160mm根據(jù)強度要求，計算活塞桿直徑d: ，結構上，活塞桿內部裝有花鍵及花鍵套，能實現(xiàn)導向作用，同時可使活塞桿在升降運動中傳動平穩(wěn)，且獲得較大剛度。③ 臂厚同伸縮缸一樣，取④ 聯(lián)接螺釘強度計算：取螺釘數(shù)目Z=4，工作載荷則, ，查手冊取，螺距P=，材料為35號鋼的內六角螺釘。3. 手臂回轉液壓缸的設計計算① 臂部回轉運動驅動力矩的計算臂部回轉運動驅動力矩應根據(jù)啟動時產(chǎn)生的慣性力矩與回轉部件支承處的摩擦力矩來計算。若軸承處的摩擦力忽略不計，則，在設計計算時，為簡化計算可不計。直接計入回轉缸效率中，則 ， 式中： ——角速度變化量（rad/s） ——啟動過程時間，～,取 ——手臂回轉部件（包括工件）對回轉軸線的轉動慣量。經(jīng)分析知，當手臂完全伸出時，此時達到最大值，估算此時回轉零件的重心到轉軸