【文章內容簡介】 度。（2）臂部運動速度要高，慣性要小。減少慣量具體有3個途徑：減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料；減少臂部運動件的輪廓尺寸；減少回轉半徑，再安排機械手動作順序時，先縮后回轉（或先回轉后伸縮），盡可能在較小的前伸位置下進行回轉動作。（3）手臂動作應該靈活。為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。對于懸臂式的機械手，其傳動件、導向件和定位件布置合理，使手臂運動盡可能平衡，以減少對升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機構卡死（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。 手臂的典型機構及選型常見的手臂伸縮機構有以下幾種：（1）導桿手臂伸縮機構 手臂的典型運動形式有：直線運動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉運動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運動，如直線運動和回轉運動組合，兩直線運動的雙層液壓缸空心結構。（2）雙活塞桿液壓缸結構（3）活塞桿和齒輪齒條機構結合設計要求，綜合考慮，本設計選擇單導桿伸縮機構，驅動方式選擇液壓驅動，液壓缸選取雙作用液壓缸?；緳C構形式如圖51所示：圖51 典型手臂機構 手臂結構受力分析在液壓缸直線運動的過程中需要克服摩擦、慣性等幾個方面阻力，因此確定液壓缸所需驅動力，公式如下： 式（51）直線運動須導向支撐裝置，在此選擇單導向桿，導向桿相關計算涉及到的公式下，如表51所示：表51 導向桿計算公式式（52）式（53）式（54）式（55）式（56）式（57）式（58）式（59）G總—— 工件及結構總重（N）L —— 總重心到導向桿前段的距離（m）A —— 導向桿長度（m） —— 當量摩擦系數(shù)導桿結構如圖52所示：圖52 導桿結構示意圖導向桿選取材料為鋼，支撐件材料選取材料為鑄鐵，因此，在此，估算工件與機構總重為1000N，導向桿長度a為1185mm。根據(jù)這些參數(shù)值，可以分別求得摩擦力阻力、手臂慣性力、密封裝置摩擦阻力，進而求得液壓缸的驅動力。（1）摩擦阻力的計算將數(shù)據(jù)帶入公式得到摩擦力為： 式（510）（2）手臂慣性力的計算 根據(jù)設計要求，本機械手臂直線伸縮的速度為V=5m/min，慣性力的計算需要啟動時間。因此， 式（511）（3）密封裝置摩擦阻力的計算 本機械手臂的密封圈均采用O型密封圈，根據(jù)設計要求，因為液壓缸的工作壓力小于10Mpa，因此密封裝置的總摩擦阻力可以近似估算為 式（512）（4）液壓缸的驅動力計算根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出此液壓缸的驅動力為 式（513）解得驅動力為12080N，因此選擇液壓缸的工作壓力為4Mpa。 手臂液壓缸結構尺寸的確定由以上計算和分析得出，搬運機械手的臂部結構采用雙作用液壓缸，液壓缸的相關計算如下： 無桿腔： 式（514） 有桿腔： 式（515） 因此，有桿腔內有 式（516） 無桿腔內有 式（517）由已知數(shù)據(jù)：F驅 = 12080N，P = 4Mpa。所以， 式（518）根據(jù)表選擇標準液壓缸內徑，D=65mm。壁厚須大7mm，在此選擇液壓缸外徑為85mm，活塞桿直徑選擇為30mm，根據(jù)行程要求，活塞桿長度L取938mm。 手臂液壓缸活塞桿的強度校核搬運機械手手臂液壓缸活塞桿的長度L大于活塞桿直徑d的15倍以上，查取相關資料得，其強度計算應該滿足以下公式： 式（519）活塞桿的材料為碳鋼，因此取100106，將已知參數(shù)帶入公式519得： 式（520）因此，活塞桿的強度是達到要求的。 本章小結本章主要設計搬運機械手的手臂部分。結合設計要求，確定了手臂的機構形式，通過力學計算，對臂部液壓缸進行了選型，并確定了其結構尺寸。第6章 搬運機械手機身結構設計機械手的機身結構是整體結構的支撐和驅動部分。一般實現(xiàn)手臂的回轉和升降運動，這些運動的傳動機構都安裝在機身上，或者直接構成機身的軀干與底座相連。因此，臂部的運動越多，機身的機構和受力情況就越復雜。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。 機身的整體設計按照設計要求，機械手要實現(xiàn)手臂的回轉運動，實現(xiàn)手臂的回轉運動機構一般設計在機身處。為了設計出合理的運動機構，就要綜合考慮分析。機身承載著手臂，做回轉和升降運動，是機械手的重要組成部分。常用的機身結構有以下幾種：（1）回轉缸置于升降之下的結構。這種結構優(yōu)點是能承受較大偏重力矩。其缺點是回轉運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉精度的影響較大。（2）回轉缸置于升降之上的結構。這種結構采用單缸活塞桿，內部導向，結構緊湊。但回轉缸與臂部一起升降，運動部件較大。（3）活塞缸和齒條齒輪機構。手臂的回轉運動是通過齒條齒輪機構來實現(xiàn)：齒條的往復運動帶動與手臂連接的齒輪作往復回轉，從而使手臂左右擺動。經過綜合考慮，本設計選用回轉缸置于升降缸之上的結構。本設計機身包括兩個運動， 機身的回轉和升降。如下圖所示，回轉機構置于升降缸之上的機身結構。手臂部件與回轉缸的轉軸連接，回轉缸的動片與轉軸連接，由動片帶動手臂回轉運動?；剞D缸的底蓋與升降缸的活塞桿連接。具體結構見圖61。驅動機構是液壓驅動，回轉缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉葉片的兩側來實現(xiàn)葉片回轉?；剞D角度一般靠機械擋塊來決定，對于本設計就是考慮兩個葉片之間可以轉動的角度，為滿足設計要求，設計中動片和靜片之間可以回轉。圖61 機身結構設計示意圖 機身旋轉結構和升降結構的設計 機身旋轉結構的設計根據(jù)已知條件分析，手臂回轉缸的驅動力矩計算公式如下 式（61）慣性力矩計算公式為 式（62）公式中，各個參數(shù)分別代表：—— 回轉缸動片的角速度變化量（rad/s） —— 啟動時間（s）J0—— 手臂結構及工件對回轉軸線的轉動慣量（）回轉部件可以等效為一個長為1800mm，直徑為80mm的圓柱體，其質量約200kg，設定啟動角速度為180176。，啟動時間設定為1s。因此回轉零件的重心的轉動慣量為 式（63）手臂結構及工件對回轉軸線的轉動慣量為 式（64）回轉驅動力矩為 式（65）因為采用O型密封圈，所以摩擦阻力矩可以估算為 式（66）通過對旋轉液壓缸的力矩和參數(shù)要求，進行類似于腕部旋轉液壓缸的分析計算，確定回轉缸的輸出軸徑d=50mm，旋轉液壓缸的內徑為150mm，外徑為230mm，螺釘為M20，動片厚度為60mm，動片和輸出軸之間為鍵連接，鍵參數(shù)bhL=14956。 機身升降結構的設計根據(jù)參數(shù)要求，機械手的升降行程為330mm，升降速度小于60m/s。通過分析計算（過程類似機械手臂液壓缸分析計算過程），并結合相關數(shù)據(jù)查取表格得出，升降液壓缸外徑為110mm，內徑為90mm，活塞桿直徑為50mm。 本章小結本章為搬運機械手機身結構的設計。主要包括機身旋轉結構和機身升降結構。根據(jù)設計要求，對機械手機身進行力學分析，確定了旋轉結構的旋轉液壓缸的基本尺寸以及升降結構液壓缸的基本尺寸。第7章 搬運機械手運動仿真分析 運動仿真簡介機構運動仿真技術就是通過對機構添加運動副、驅動器，使其運動起來，實現(xiàn)機構的運動模擬。機構運動仿真可以在任意時刻查看各個組成部件的位置、速度、加速度、軌跡、位移、運動干涉等參數(shù)并加以分析，根據(jù)結果調整模型設計，以達到最優(yōu)的零件機構配置。機構仿真還可以分析力與運動之間的關系，分析運動量以及運動副之間的相互關系，關鍵部件的受力分析情況，實時測量指定部分的各種參數(shù)并繪制相應曲線、圖表，可直觀了解運動主體上某點的運動軌跡?？傮w方案設計主要是利用已知條件及目的，進行機械的全局設計。建立運動模型是指進行機械各部分的具體設計，并在計算機上進行二維繪圖和三維實體造型，然后通過裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機。設置運動環(huán)境是定義機械系統(tǒng)運動所必需的各種條件如：動力源，初始位置和狀態(tài)等，分析運動機構是定義要分析的屬性。在PRO/E中包括裝配分析、速度分析、靜態(tài)分析、運動分析等多種分析結果是將分析的結果通過可視化的方法表現(xiàn)出來，主要包括運動回收，可分析干涉檢驗，運動包絡等，還可測量系統(tǒng)中需要跟蹤參數(shù)，并將其變化趨勢通過圖形的形式直觀的表現(xiàn)出來。 搬運機械手的運動仿真與分析流程搬運機械手的Pro/E機構運動學仿真分為以下幾個步驟[13]：（1）創(chuàng)建模型。除了要建立可運動的裝配模型外，還應設置運動軸的位置、運動限制等內容，對于含有凸輪、齒輪副等的機構，海英建立凸輪、齒輪副等特殊連接。（2）檢測模型。創(chuàng)建模型后，應通過“拖動”等方法驗證其運動，用于檢驗定義的連接是否能產生預期的運動。還可以在拖動的同時創(chuàng)建機構位置的快照，用于以后定義運動分析的起點。（3）添加伺服電動機。伺服電動機用于定義機構所需的絕對運動，將其運用到運動軸或幾何圖元中，可指定機構元件或元件上點的位置、速度或加速度。（4）準備分析。進行運動分析前，定義機構的初始位置快照以及創(chuàng)建測量。如果希望運動分析從元件上指定是位置開始，可使用2中“拖動”過程中建立的快照；若要在運動分析中測量機構的位置，則應在此步驟中創(chuàng)建測量。（5）分析模型。此步驟是運動學仿真的關鍵內容，可進行機構的運動學分析或位置分析，并模擬機構運動過程。（6）查看分析結果。運行位置分析或運動學分析后，可回訪運動的結果查看數(shù)據(jù)、創(chuàng)建軌跡曲線、創(chuàng)建運動包絡等多種操作來使用分析結果?；谝陨嫌嘘PPro/E機構運動學仿真與分析的相關步驟，結合本設計的工序動作要求，對其進行動畫仿真，實現(xiàn)工序：手臂伸長——夾緊工件——升高工件——腕部旋轉——肩部旋轉——放開工件——回到初始狀態(tài)。 機械手靜態(tài)展示與局部放大展示如圖71所示，為搬運機械手初始狀態(tài)，在初始狀態(tài)手指為張開狀態(tài)。 圖71 機械手初始狀態(tài)展示如圖72所示為搬運機械手的手部腕部結構放大展示，手部拉緊裝置由一個液壓缸和彈簧組合而成，腕部旋轉裝置為一個旋轉液壓缸。圖72 手部腕部放大展示如圖73所示，為電機插入狀態(tài)展示，通過電機的插入，使搬運機械手得以實現(xiàn)連貫動作。圖73 伺服電機插入展示 搬運機械手工序過程展示工序一：臂部液壓缸工作，使手臂伸長至指定長度，準備抓取工件。圖74 工序一工序二：手部液壓缸工作，使手指夾緊工件。圖75 工序二工序三：機身液壓缸工作，使工件升高。圖76 工序三工序四：腕部旋轉液壓缸工作，使工件旋轉。圖77 工序四工序五：機身旋轉液壓缸工作，實現(xiàn)機身整體旋轉。圖78 工序五工序六：手部液壓缸工作，手指張開，將工件放置指定位置。圖79 工序六工序七：機械手五個液壓缸同時工作，各結構回到初始狀態(tài)。圖710 工序七 本章小結本章為搬運機械手設計的機構運動仿真部分。利用三維建模軟件Pro/E，對已設計好的搬運機械手進行建模和運動仿真。通過仿真分析可知，所設計的搬運機械手的功能是可以實現(xiàn)的。結論通過此次畢業(yè)設計，使我了解到機械手的很多相關知識。讓我對當前國內外在此方面的一些先進生產和制造技術有了一定的認識。在搬運機械手的設計過程中，讓我掌握了一定的機械設計方面的基礎，為以后的工作學習奠定了一定的基礎。搬運機械手設計，相對于通用機械手而言，其動作固定，結構簡單，同時成本低廉，專用性比較高，可實現(xiàn)車間內的一些搬運裝卸工作。搬運機械手的驅動系統(tǒng)采用液壓傳動，液壓系統(tǒng)驅動力比較大，傳動平穩(wěn)、結構緊湊、動作靈敏，并且可與電液伺服機構結合。本設計手部采用二手指滑槽杠桿式機構，腕部和肩部采用旋轉液壓缸實現(xiàn)旋轉動作。機械手的夾持件為棒形工件，對于其他尺寸或形狀的工件，可通過更改夾持范圍或者更換機械手等方式實現(xiàn)。在設計對搬運機械手的手部結構，腕部結構和臂部結構和做了系統(tǒng)的計算設計，設計中沒有涉及到機械手液壓系統(tǒng)油路的設計，對此方面知識，需要在以后的工作學習中了解和掌握。由于經驗知識水平的局限，設計難免有不到之處，望讀者指正。致 謝緊張而充實的畢業(yè)設計已經接近尾聲，經過王老師的悉心指導和同組同學的幫助，使得各項任務順利的完成，在此，首先對王老師付出的辛勞表示衷心的感謝。感謝王老師對我的論文題目及圖紙，還有仔細的進行指導給我指明方向；感謝你對各位同學的精心指導和耐心的講解。當我迷茫于眾多的資料時，你為我提綱挈領，梳理脈絡，使我確立了文本的框架。論文寫作中，每周都得到王老師的親自指點。從框架的完善，到內容的擴充；從行文的用語，到格式的規(guī)范，王老師都嚴格的要求，力求完美。在這次畢業(yè)設計的過程中