【文章內(nèi)容簡介】 度。（2）臂部運(yùn)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(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。（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。 手臂的典型機(jī)構(gòu)及選型常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種：（1）導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu) 手臂的典型運(yùn)動形式有：直線運(yùn)動，如手臂的伸縮，升降和橫向移動；回轉(zhuǎn)運(yùn)動，如手臂的左右擺動，上下擺動；符合運(yùn)動，如直線運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動組合，兩直線運(yùn)動的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。（2）雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)（3）活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)結(jié)合設(shè)計要求，綜合考慮，本設(shè)計選擇單導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，驅(qū)動方式選擇液壓驅(qū)動，液壓缸選取雙作用液壓缸。基本機(jī)構(gòu)形式如圖51所示：圖51 典型手臂機(jī)構(gòu) 手臂結(jié)構(gòu)受力分析在液壓缸直線運(yùn)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(qū)動力，公式如下： 式（51）直線運(yùn)動須導(dǎo)向支撐裝置，在此選擇單導(dǎo)向桿，導(dǎo)向桿相關(guān)計算涉及到的公式下，如表51所示：表51 導(dǎo)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(jié)構(gòu)總重（N）L —— 總重心到導(dǎo)向桿前段的距離（m）A —— 導(dǎo)向桿長度（m） —— 當(dāng)量摩擦系數(shù)導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)如圖52所示：圖52 導(dǎo)桿結(jié)構(gòu)示意圖導(dǎo)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(jī)構(gòu)總重為1000N，導(dǎo)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(jìn)而求得液壓缸的驅(qū)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(shè)計要求，本機(jī)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(jī)械手臂的密封圈均采用O型密封圈，根據(jù)設(shè)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(qū)動力計算根據(jù)以上數(shù)據(jù)，可以得出此液壓缸的驅(qū)動力為 式（513）解得驅(qū)動力為12080N，因此選擇液壓缸的工作壓力為4Mpa。 手臂液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸的確定由以上計算和分析得出，搬運(yùn)機(jī)械手的臂部結(jié)構(gòu)采用雙作用液壓缸，液壓缸的相關(guān)計算如下： 無桿腔： 式（514） 有桿腔： 式（515） 因此，有桿腔內(nèi)有 式（516） 無桿腔內(nèi)有 式（517）由已知數(shù)據(jù)：F驅(qū) = 12080N，P = 4Mpa。所以， 式（518）根據(jù)表選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)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(qiáng)度校核搬運(yùn)機(jī)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(guān)資料得，其強(qiáng)度計算應(yīng)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(qiáng)度是達(dá)到要求的。 本章小結(jié)本章主要設(shè)計搬運(yùn)機(jī)械手的手臂部分。結(jié)合設(shè)計要求，確定了手臂的機(jī)構(gòu)形式，通過力學(xué)計算，對臂部液壓缸進(jìn)行了選型，并確定了其結(jié)構(gòu)尺寸。第6章 搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計機(jī)械手的機(jī)身結(jié)構(gòu)是整體結(jié)構(gòu)的支撐和驅(qū)動部分。一般實(shí)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)都安裝在機(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)計按照設(shè)計要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動機(jī)構(gòu)一般設(shè)計在機(jī)身處。為了設(shè)計出合理的運(yùn)動機(jī)構(gòu)，就要綜合考慮分析。機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)和升降運(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：（1）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。（2）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。（3）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(shí)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。經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計選用回轉(zhuǎn)缸置于升降缸之上的結(jié)構(gòu)。本設(shè)計機(jī)身包括兩個運(yùn)動， 機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。如下圖所示，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)置于升降缸之上的機(jī)身結(jié)構(gòu)。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的轉(zhuǎn)軸連接，回轉(zhuǎn)缸的動片與轉(zhuǎn)軸連接，由動片帶動手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動?；剞D(zhuǎn)缸的底蓋與升降缸的活塞桿連接。具體結(jié)構(gòu)見圖61。驅(qū)動機(jī)構(gòu)是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進(jìn)油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實(shí)現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來決定，對于本設(shè)計就是考慮兩個葉片之間可以轉(zhuǎn)動的角度，為滿足設(shè)計要求，設(shè)計中動片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)。圖61 機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖 機(jī)身旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計 機(jī)身旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的設(shè)計根據(jù)已知條件分析，手臂回轉(zhuǎn)缸的驅(qū)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(zhuǎn)缸動片的角速度變化量（rad/s） —— 啟動時間（s）J0—— 手臂結(jié)構(gòu)及工件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量（）回轉(zhuǎn)部件可以等效為一個長為1800mm，直徑為80mm的圓柱體，其質(zhì)量約200kg，設(shè)定啟動角速度為180176。，啟動時間設(shè)定為1s。因此回轉(zhuǎn)零件的重心的轉(zhuǎn)動慣量為 式（63）手臂結(jié)構(gòu)及工件對回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動慣量為 式（64）回轉(zhuǎn)驅(qū)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(zhuǎn)液壓缸的力矩和參數(shù)要求，進(jìn)行類似于腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸的分析計算，確定回轉(zhuǎn)缸的輸出軸徑d=50mm，旋轉(zhuǎn)液壓缸的內(nèi)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(jī)身升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計根據(jù)參數(shù)要求，機(jī)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(jī)械手臂液壓缸分析計算過程），并結(jié)合相關(guān)數(shù)據(jù)查取表格得出，升降液壓缸外徑為110mm，內(nèi)徑為90mm，活塞桿直徑為50mm。 本章小結(jié)本章為搬運(yùn)機(jī)械手機(jī)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計。主要包括機(jī)身旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和機(jī)身升降結(jié)構(gòu)。根據(jù)設(shè)計要求，對機(jī)械手機(jī)身進(jìn)行力學(xué)分析，確定了旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)液壓缸的基本尺寸以及升降結(jié)構(gòu)液壓缸的基本尺寸。第7章 搬運(yùn)機(jī)械手運(yùn)動仿真分析 運(yùn)動仿真簡介機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真技術(shù)就是通過對機(jī)構(gòu)添加運(yùn)動副、驅(qū)動器，使其運(yùn)動起來，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模擬。機(jī)構(gòu)運(yùn)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(yùn)動干涉等參數(shù)并加以分析，根據(jù)結(jié)果調(diào)整模型設(shè)計，以達(dá)到最優(yōu)的零件機(jī)構(gòu)配置。機(jī)構(gòu)仿真還可以分析力與運(yùn)動之間的關(guān)系，分析運(yùn)動量以及運(yùn)動副之間的相互關(guān)系，關(guān)鍵部件的受力分析情況，實(shí)時測量指定部分的各種參數(shù)并繪制相應(yīng)曲線、圖表，可直觀了解運(yùn)動主體上某點(diǎn)的運(yùn)動軌跡?？傮w方案設(shè)計主要是利用已知條件及目的，進(jìn)行機(jī)械的全局設(shè)計。建立運(yùn)動模型是指進(jìn)行機(jī)械各部分的具體設(shè)計，并在計算機(jī)上進(jìn)行二維繪圖和三維實(shí)體造型，然后通過裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機(jī)。設(shè)置運(yùn)動環(huán)境是定義機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)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(yùn)動機(jī)構(gòu)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(yùn)動分析等多種分析結(jié)果是將分析的結(jié)果通過可視化的方法表現(xiàn)出來，主要包括運(yùn)動回收，可分析干涉檢驗，運(yùn)動包絡(luò)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(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動仿真與分析流程搬運(yùn)機(jī)械手的Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真分為以下幾個步驟[13]：（1）創(chuàng)建模型。除了要建立可運(yùn)動的裝配模型外，還應(yīng)設(shè)置運(yùn)動軸的位置、運(yùn)動限制等內(nèi)容，對于含有凸輪、齒輪副等的機(jī)構(gòu)，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(yīng)通過“拖動”等方法驗證其運(yùn)動，用于檢驗定義的連接是否能產(chǎn)生預(yù)期的運(yùn)動。還可以在拖動的同時創(chuàng)建機(jī)構(gòu)位置的快照，用于以后定義運(yùn)動分析的起點(diǎn)。（3）添加伺服電動機(jī)。伺服電動機(jī)用于定義機(jī)構(gòu)所需的絕對運(yùn)動，將其運(yùn)用到運(yùn)動軸或幾何圖元中，可指定機(jī)構(gòu)元件或元件上點(diǎn)的位置、速度或加速度。（4）準(zhǔn)備分析。進(jìn)行運(yùn)動分析前，定義機(jī)構(gòu)的初始位置快照以及創(chuàng)建測量。如果希望運(yùn)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(yùn)動分析中測量機(jī)構(gòu)的位置，則應(yīng)在此步驟中創(chuàng)建測量。（5）分析模型。此步驟是運(yùn)動學(xué)仿真的關(guān)鍵內(nèi)容，可進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動學(xué)分析或位置分析，并模擬機(jī)構(gòu)運(yùn)動過程。（6）查看分析結(jié)果。運(yùn)行位置分析或運(yùn)動學(xué)分析后，可回訪運(yùn)動的結(jié)果查看數(shù)據(jù)、創(chuàng)建軌跡曲線、創(chuàng)建運(yùn)動包絡(luò)等多種操作來使用分析結(jié)果?；谝陨嫌嘘P(guān)Pro/E機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)仿真與分析的相關(guān)步驟，結(jié)合本設(shè)計的工序動作要求，對其進(jìn)行動畫仿真，實(shí)現(xiàn)工序：手臂伸長——夾緊工件——升高工件——腕部旋轉(zhuǎn)——肩部旋轉(zhuǎn)——放開工件——回到初始狀態(tài)。 機(jī)械手靜態(tài)展示與局部放大展示如圖71所示，為搬運(yùn)機(jī)械手初始狀態(tài)，在初始狀態(tài)手指為張開狀態(tài)。 圖71 機(jī)械手初始狀態(tài)展示如圖72所示為搬運(yùn)機(jī)械手的手部腕部結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)裝置為一個旋轉(zhuǎn)液壓缸。圖72 手部腕部放大展示如圖73所示，為電機(jī)插入狀態(tài)展示，通過電機(jī)的插入，使搬運(yùn)機(jī)械手得以實(shí)現(xiàn)連貫動作。圖73 伺服電機(jī)插入展示 搬運(yùn)機(jī)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(zhǔn)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(jī)身液壓缸工作，使工件升高。圖76 工序三工序四：腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸工作，使工件旋轉(zhuǎn)。圖77 工序四工序五：機(jī)身旋轉(zhuǎn)液壓缸工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)身整體旋轉(zhuǎn)。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(jī)械手五個液壓缸同時工作，各結(jié)構(gòu)回到初始狀態(tài)。圖710 工序七 本章小結(jié)本章為搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計的機(jī)構(gòu)運(yùn)動仿真部分。利用三維建模軟件Pro/E，對已設(shè)計好的搬運(yùn)機(jī)械手進(jìn)行建模和運(yùn)動仿真。通過仿真分析可知，所設(shè)計的搬運(yùn)機(jī)械手的功能是可以實(shí)現(xiàn)的。結(jié)論通過此次畢業(yè)設(shè)計，使我了解到機(jī)械手的很多相關(guān)知識。讓我對當(dāng)前國內(nèi)外在此方面的一些先進(jìn)生產(chǎn)和制造技術(shù)有了一定的認(rèn)識。在搬運(yùn)機(jī)械手的設(shè)計過程中，讓我掌握了一定的機(jī)械設(shè)計方面的基礎(chǔ)，為以后的工作學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。搬運(yùn)機(jī)械手設(shè)計，相對于通用機(jī)械手而言，其動作固定，結(jié)構(gòu)簡單，同時成本低廉，專用性比較高，可實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)的一些搬運(yùn)裝卸工作。搬運(yùn)機(jī)械手的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓傳動，液壓系統(tǒng)驅(qū)動力比較大，傳動平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)緊湊、動作靈敏，并且可與電液伺服機(jī)構(gòu)結(jié)合。本設(shè)計手部采用二手指滑槽杠桿式機(jī)構(gòu)，腕部和肩部采用旋轉(zhuǎn)液壓缸實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動作。機(jī)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(jī)械手等方式實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計對搬運(yùn)機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)，腕部結(jié)構(gòu)和臂部結(jié)構(gòu)和做了系統(tǒng)的計算設(shè)計，設(shè)計中沒有涉及到機(jī)械手液壓系統(tǒng)油路的設(shè)計，對此方面知識，需要在以后的工作學(xué)習(xí)中了解和掌握。由于經(jīng)驗知識水平的局限，設(shè)計難免有不到之處，望讀者指正。致 謝緊張而充實(shí)的畢業(yè)設(shè)計已經(jīng)接近尾聲，經(jīng)過王老師的悉心指導(dǎo)和同組同學(xué)的幫助，使得各項任務(wù)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(xì)的進(jìn)行指導(dǎo)給我指明方向；感謝你對各位同學(xué)的精心指導(dǎo)和耐心的講解。當(dāng)我迷茫于眾多的資料時，你為我提綱挈領(lǐng)，梳理脈絡(luò)，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(diǎn)。從框架的完善，到內(nèi)容的擴(kuò)充；從行文的用語，到格式的規(guī)范，王老師都嚴(yán)格的要求，力求完美。在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中