【文章內(nèi)容簡介】 臂回轉(zhuǎn)組合）或圓柱面（如手臂升降和手臂回轉(zhuǎn)組合。 體位送放，其送放圖形為一個確定的空間體，故主運動有三個自由度。其 送放圖形也有幾種不同的情況：三個直線運動組合時，送放圖形為一空間立方體；兩個直線運動和一個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為一空間圓柱體；兩個回轉(zhuǎn)運動和一個直線運動組合是，送放圖形為一空間組合體；三個回轉(zhuǎn)運動組合時，送放圖形為空間球體或多球體。 4. 送放運動的自由度 送放運動具有的獨立運動參數(shù)的數(shù)目，即送放運動的自由度，亦即機械手或機器人的自由度。它等于主運動自由度數(shù)和輔運動自由度數(shù)之和。一般情況下，主運動有 1～ 3 個自由度：當(dāng)主運動有 1 個自由度時，送放圖形為點位送放；當(dāng)主運動有 2 個自由度時，送放圖形為面位送放；當(dāng)主運動 有 3 個自由度時，送放圖形為體位送放。如果采用多關(guān)節(jié)的送放機構(gòu)，則機械手的主運動自由度數(shù)還可以增加，但其結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，故實際應(yīng)用不多。此時，宜采用增設(shè)輔運動的方法來增加機械手的功能，如增加腕部的平移或整機的行走運動以擴大送放范圍，或增設(shè)腕部的回轉(zhuǎn)和擺動運動以改變被送放物的方位。 機械手有幾個自由度就說明有幾個送放運動。自由度越多，送放動作也越多，則機械手越靈活，其送放范圍也越大，但機械手也越復(fù)雜。 本次所設(shè)計的機械手的送放機構(gòu)共有 5 個自由度，即主運動有 3 個自由度（手臂的伸縮、回轉(zhuǎn)、俯仰）、輔助運動有 2 個自由度 （腕部的回轉(zhuǎn)、機械 電子工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 共 50 頁 擺動），為體位送放，全部采用液壓驅(qū)動，分別由兩個直動液壓和三個回轉(zhuǎn)液壓缸來實現(xiàn)。機械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖如下圖（ 9）所示： 圖（ 9） 液壓系統(tǒng)的工作原理圖 （二）液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定 R= Rt+Rf? Rm Rt=Rw? Rg 式中， R—— 液壓缸的工作載荷； Rw—— 液壓缸軸線方向上的外作用力； Rg—— 液壓缸軸 線方向上的重力； Rf—— 運動部件的摩擦力； Rm—— 運動部件的慣性力。 非標(biāo)準(zhǔn)機械的液壓缸設(shè)計，按實際計算出工作壓力后，還應(yīng)符合液壓缸額定工作壓力系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（ JB218377），本設(shè)計確定的系統(tǒng)工作壓力為 。 機械 電子工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 共 50 頁 當(dāng)液壓缸工作壓力確定之后，即可計算出液壓缸的推力。對于活塞式液壓缸，液壓缸的推力為 P=pA 式中， p—— 系統(tǒng)的工作壓力； A—— 活塞的有效工作面積。 液壓缸的工作流量為 q=Av 式中， v—— 液壓缸或活塞桿的速度； A—— 液壓缸的有 效工作面積。 因此，只要確定出液壓缸的直徑 D，就可求出活塞或液壓缸的有效工作面積，從而可求得液壓缸的推力和流量?；蛘?，根據(jù)各缸的實際工作載荷 P，先求出活塞或液壓缸的有效工作面積 A，再確定各缸的直徑 D。 1）活塞缸直徑 D 的確定 無桿腔工作時： D=)()( 4 21 2221 pppdPP Rm ??? ?? 有桿腔工作時： 機械 電子工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 共 50 頁 D=)()( 4 21 1221 pppdPP Rm ??? ?? 式中， 1P —— 系統(tǒng)的工作壓力， 1P =； 2P —— 回油腔的壓力； m? —— 機械效率，一般取 m? =； R —— 液壓缸的工作載荷； d —— 活塞桿的直徑。 按上式計算后，還應(yīng)按 JB218377取規(guī)定系列的直徑值。 2）活塞桿直徑 d 的確定 活塞桿直徑可按工作壓力確定，對于常用速比的液壓缸也可根據(jù)已定的缸徑 D 查下表：液壓缸工作壓力（ MPa） ≤ 5 5～ 7 ＞ 7 活塞桿直徑 d （ ～ ） D （ ～ ） D 另外，當(dāng)液壓缸速度在 6～ 10 m/s 左右時，也可按活塞往返的工作速度之比來確定活塞桿直徑： d=D?? 1?，其中 ? = 12vv 速比 ? 與工作壓力有如 下關(guān)系： 工作壓力（ MPa ） ≤ ＞ 20 速比 ? ～ 2 2 3）液壓缸壁厚δ的確定 δ = ???2Dpp 式中， p —— 試驗壓力； D —— 液壓缸直徑； ??? —— 缸 體材料的許用應(yīng)力。 4）液壓缸外徑 D0及長度 l 的確定 機械 電子工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 共 50 頁 D0=D+2δ l≤（ 20～ 30） D0 缸體長度 l根據(jù)上式由活塞行程來確定，并注意缸體的制造工藝性和經(jīng)濟性。 （三）機械手的腕部設(shè)計 工業(yè)機器人的腕部是聯(lián)接手部與臂部的部件，起支承手部的作用，為了使手部處于空間任意方向，要求腕部能實現(xiàn)對空間三個坐標(biāo)軸 X、 Y、 Z的轉(zhuǎn)動，即具有回轉(zhuǎn)、俯仰和擺動三個自由度。腕部實際所具有的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機器人的工作性能要求來確定。在多數(shù)情況下，腕部具有兩個自由度：回轉(zhuǎn)和俯仰或擺動。一些專業(yè)機械手 甚至沒有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動自由度。 本機械手腕部具有兩個自由度，因此采用兩個回轉(zhuǎn)油缸，即回轉(zhuǎn)和擺動，且回轉(zhuǎn)范圍為 0～ 180○ ，擺動范圍為 0～ 90○ ?；剞D(zhuǎn)油缸和擺動油缸的結(jié)構(gòu)圖分別如圖（ 10）和圖（ 11）所示： 機械 電子工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 共 50 頁 ecd 圖（ 10） 圖（ 11） 實現(xiàn)上述運動的驅(qū)動力必須克服腕部啟動時所需的慣性力矩、腕部回轉(zhuǎn)軸與支承處的摩擦力矩、動片與缸壁和端 蓋等處密封裝置的摩擦力矩，以及由于轉(zhuǎn)動部件重心與轉(zhuǎn)動軸心線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩，圖（ 12）所示為腕部受力分析。 機械 電子工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 共 50 頁 圖（ 12） 腕部轉(zhuǎn)動時必須克服三種力矩 —— 摩M 、 偏M 和 慣M ，故手腕的回轉(zhuǎn)力矩 M至少應(yīng)為： ）（慣偏摩 mNMMMM ???? 考慮到驅(qū)動缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取 ? ? ）（慣偏摩 mNMMM～M ???? 式中， M—— 驅(qū)動力矩； M 慣 —— 慣性力矩； M 偏 —— 參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部及腕部的回轉(zhuǎn)缸動片等）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩； M 摩 —— 腕部回轉(zhuǎn)與支承處的摩擦力矩； 以上各力矩的分析計算如下： 1）腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩 M 慣 若手部啟動時按等加速運動，角速度為 w，啟動過程所用的時間為 t? ，啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度為 ?? ，則 tJJM ??? ?）（慣 1 或 ????? 221）（慣 JJM 機械 電子工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 第 24 頁 共 50 頁 式中， J—— 腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件對回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量； J1—— 工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量； ? —— 腕部轉(zhuǎn)動的角速度； t? —— 啟動過程所需的時間，一般為 ～ （ s），這里取 ； ?? —— 啟動過程所轉(zhuǎn)過的角度。 若工件的重心與回轉(zhuǎn)軸不重合，則轉(zhuǎn)動慣量為 2111 egGJcJ ?? 式中， Jc —— 工件對重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量； 1G —— 工件的重量； 1e —— 工件重心到回轉(zhuǎn)軸的偏心距； g—— 重力加速度。 本機械手腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件的轉(zhuǎn)動慣量如下： 回轉(zhuǎn)軸：對其重量進行估算，定小直徑段為 1G ， 大直徑段為 2G ， 即 ? ?? ?NGNhgrG32332323321?????????? ??????????????? ???????????? 查【 11】表 121 得其轉(zhuǎn)動慣量為 ? ?2622222211 mkgRgGRgG ?????????????????????? ? 連接板：對其重量進行估算，即 ? ?NhgrG 32332 ?????????? ?????? ???? 查【 11】表 121 得其轉(zhuǎn)動慣量為 ? ? ? ? ? ?26222221 mkgRRgG ??????? ? 液壓缸：對其重量進行估算，即 機械 電子工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 第 25 頁 共 50 頁 ? ?NhgrG 32332 ?????????? ?????? ???? 查【 11】表 121 得其轉(zhuǎn)動慣量為 ? ?2622 mkgRgG ?????? ? 手爪：對其重量進行估算，即 ? ?NhgrG 32332 ?????????? ?????? ???? 查【 11】表 121得其轉(zhuǎn)動慣量為 ? ?2622 mkgRgG ?????? ? 故腕部參與轉(zhuǎn)動的各部件的轉(zhuǎn)動慣量和為： ? ? ? ?266 9 8 6 .65 8 6 .52 0 .11 1 .4J mkg ???????? ?? 工件對腕部回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量為： ? ? ? ? ? ?2222222 150121 mkgcbagGJ ????????? 由以上計算得腕部加速運動時所產(chǎn)生的慣性力矩為： ? ? ? ?mN ????? 0 2 6 0 4 ?慣 2）腕部轉(zhuǎn)動時在軸頸處的摩擦力矩 M 摩 ? ?1221 dRdRfM BA ??摩 式中， d d2—— 腕部軸頸的直徑（參見圖 10）； f—— 軸承的摩擦系數(shù)，對于滾動軸承， f=，對于滑動軸承， f=； RA、 RB—— 軸頸處的支撐反力。 按腕部轉(zhuǎn)動軸的受力分析求解 RA和 RB。根據(jù) ? ? 0?? FM A ，得 機械 電子工程專業(yè) 畢業(yè)設(shè)計 第 26 頁 共 50 頁 112233 lGlGlGlR B ??? 即 Nl lGlGlGR B ?????????? 同理，根據(jù) ? ? 0?? FMB ，得 ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? NlllGllGllGRA 332211???????????????? 式中， 1G 、 2G 、 3G —— 工件、手部、腕部的重量； 1l 、 2l 、 3l 、 l —— 尺寸，見圖 10。 故 ? ? ? ? mNdRdRfMBA ?????????? 12摩 3）工件重心偏置引起的偏重力矩 M 偏 M 偏 =G1e 式中， G1—— 工件重量（ N）； e—— 偏心距。 由于本課題的工件為 250 170 140mm的箱式零件，即為對稱的零件，因此工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合，也就是偏心距為零，故 M 偏為零。 因此腕部轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩為