【導讀】可或缺的設備，他在工業(yè)中的應用越來越多。在自動化生產(chǎn)線上自動上下料機械手就。是其中不能缺少的設備。為自動生產(chǎn)線上的組合機床設計了一臺能夠自動上下料的機。采用液壓控制系統(tǒng)以及圓柱形式的坐標機構，并通過PLC控制其整個動作過程。本文主要敘述了機械手的設計計算過程。同時，本文給出了這臺機械手的主要性能規(guī)格參量。文章中介紹了自動上下料液壓機械手的設計理論與方法。簡略的討論了自動上下

　　

【正文】 大學本科畢業(yè)設計（論文） 24 NFabF ?? ?2c os2 （ ） 式中 a—— 手指的回轉支點到對稱中心的距離（ mm） . ? —— 工件被夾緊時手指的滑槽方向與兩回轉支點的夾角。 由分析可知，當驅動力 F 一定時， ? 角增大，則握力 NF 也隨之增大，但 ? 角過大會導致拉桿行程過大，以及手部結構增大，因此最好 ? = 030 040 。 夾 緊力及驅動力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設計手部的主要依據(jù)。必須對大小、方向和作用點進行分析計算。一般來說，需要克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運動狀態(tài)變化的慣性力產(chǎn)生的載荷，以便工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 手指對工件的夾緊力可按公式計算 1 2 3NF K K K G? （ ） 式中 1K —— 安全系數(shù)，通常 ； 2k —— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響?？山瓢聪率焦? 1 bK a??其中a，重力方向的最大上升加速度；maxva t?響 maxv —— 運載時工件最大上升速度 t響 —— 系統(tǒng)達到最高速度的時間，一般選取 3K — — 方位系數(shù)，根據(jù)手指與工件位置不同進行選擇。 G—— 被抓取工件所受重力（ N）。 表 31 液壓缸的工作壓力 作用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 Mpa 作用在活塞上外力 F（ N） 液壓缸工作壓力 Mpa 小于 5000 1 20200 30000 5000 10000 30000 50000 10000 20200 50000以上 計算：設 a=100mm,b=50mm, 010 ? 040 。機械手達到最高響應時間為 ，求夾緊力 NF和驅動力 F 和 驅動液壓缸的尺寸。 (1) 設 1 ? 2 1 bK a?? = ?= 3 ? XXXX大學本科畢業(yè)設計（論文） 25 根據(jù)公式，將已知條件帶入： ? NF N 8 2 ????? （ 2）根據(jù)驅動力公式得： ? ? NF o s100 502 2 ???? ?計算 （ 3）取 ?? NFF ??? ?計算實際 （ 4）確定液壓缸的直徑 D ? ?224F D d p???實 際 選取活塞桿直徑 d=,選擇液壓缸壓力油工作壓力 P=, ? ? ? 52 ???? ??? ?? p F 實際 根據(jù)表 （ JB82666），選取液壓缸內徑為： D=10mm,但為了擴大機械手的工作范圍，選取液壓缸內徑 D=16mm 則活塞桿內徑為 : D=16? =8mm，選取 d=8mm 手爪夾持范圍計算 為了保證手抓張開角為 060 ，活塞桿運動長度為 34mm。手抓夾持范圍，手指夾持有效長度為 100mm,當手抓沒有張開角的時候，如圖 （ a） 所示，根據(jù)機構設計，它的最小夾持半徑 1R 40? ，當張開 060 時，如圖 （ b） 所示，最大夾持半徑 2R 計算如下： 1 0 0 330c o s/40301 0 02 ??????? tgR ?機械手的夾持半徑從 mmmm 104~40 XXXX大學本科畢業(yè)設計（論文） 26 （ a） (b) 圖 手抓張開示意圖 機械手手爪夾持精度的分析計算 機械手的精度設計要求工件定位準確 ,抓取精度高 ,重復定位精度和運動穩(wěn)定性好 ,并有足夠的抓取能 ? ?12力 。 機械手能否準確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機械手的定位精度（由臂部和腕部等運動部件來決定），而且也于機械手夾持誤差大小有關。特別是在多品種的中、小批量生產(chǎn)中，為了適應工件尺寸在一定范圍內變化，一定進行機械手的夾持誤差。 βθ 圖 手抓夾持誤差分析示意圖 XXXX大學本科畢業(yè)設計（論文） 27 該設計以棒料來分析機械手的夾持誤差精度。 機械手的夾持范圍為 mmmm 208~80 。 一般夾持誤差 不超過 1mm,分析如下： 工件的平均半徑： mmRcp 72210440 ??? 手指長 100l mm? ,取 V型夾角 02 120?? 偏轉角 ? 按最佳偏轉角確定： ???? ????? i n100 72co ss i nco s 11 ?? l R cp 計算 0 si n c os 100Rl ??? ? ? ?? = 當 0R MAX MINRR??S時帶入有： ????????????????????? ??????? c o ss i n2s i nc o ss i n2s i n2 m i n2m a x22m a x2m a x2 RlRlRlRl2 22 2 2m a x m in2 c os 2 c os 782 si n si n si n si nM A X M A XR R R Rl l l l? ? ?? ? ? ??? ??? ? ? ? ? ? ? ????? ???? 夾持誤差滿足設計要求。 手指夾緊液壓缸的尺寸參數(shù)的確定 根據(jù)夾緊力和驅動力的計算，初步確定了液壓缸的內徑為 16mm，行程為 34mm；下面要確定液壓缸的缸筒長度 L。 缸筒長度 L由最大工作行程長度加上各種結構需要來確定，即： L=l+B+A+M+C 式中 ： l為活塞的最大工作行程； B為活塞寬度，一般為 ()D。A為活塞桿導向長度，取 ()D。M 為活塞桿密封長度，由密封方式定； C為其他長度，在此由于定位方式為定位塊式，需要保留一定的缸體冗余長度作為緩沖，以免在運動過程中損傷到缸體，所以 C取 。一般缸筒的長度最好不超過內徑的 20倍。另外，液壓缸的結構尺寸還有最小導向長度 H。 所以： L=34++D++C=120mm 液壓缸缸底厚度計算，本液壓缸選用平行缸底，且缸底無油孔時 ? ??? ypDh ?， XXXX大學本科畢業(yè)設計（論文） 28 其中 h為缸底厚度； D? 為液壓缸內徑； yp 為實驗壓力； ??? 為缸底材料的許用應力，液壓缸選用缸體材料為 45 號鋼， ? ? MPa100?? 。 ? ? mpDh y 366 10100 ????????? ??， 所以選取厚度 mmh 5? 。 本章小結 通過本章的設計計算，先對滑槽杠桿式的手部結構進行力學分析，然后分別 對滑槽杠桿式手部結構的夾緊力、夾緊用的彈簧、驅動力進行計算，在滿足基本要求后，對手部的夾持精度進行分析計算。不過由于手指的設計工作載荷只有 5N，所以手指零部件的載荷導致的應力都能達到設計要求，故校核可以省略。 XXXX大學本科畢業(yè)設計（論文） 29 第 6章 腕部的設計計算 腕部設計的基本要求 （ 1） 力求結構緊湊、重量輕 腕部處于手臂的最前端，它連同手部的靜、動載荷均由臂部承擔。顯然，腕部的結構、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結構、重量和運轉性能。因此，在腕部設計時，必須力求結構緊湊， 重量輕。 （ 2）結構考慮，合理布局 腕部作為機械手的執(zhí)行機構，又承擔連接和支撐作用，除保證力和運動的要求外，要有足夠的強度、剛度外，還應綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。 （ 3） 必須考慮工作條件 對于本設計，機械手的工作條件是在工作場合中搬運加工的棒料，因此不太受環(huán)境影響，沒有處在高溫和腐蝕性的工作介質中，所以對機械手的腕部沒有太多不利因素。 腕部的結構以及選擇 典型的腕部結構 (1) 具有一個自由度的回轉驅動的腕部結構。它具有結構緊湊、靈活等優(yōu)點而被廣腕部回轉， 總力矩 M，需要克服以下幾種阻力：克服啟動慣性所用。回轉角由動片和靜片之間允許回轉的角度來決定（一般小于 0270 ）。 (2) 齒條活塞驅動的腕部結構。在要求回轉角大于 0270 的情況下，可采用齒條活塞驅動的腕部結構。這種結構外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。 (3) 具有兩個自由度的回轉驅動的腕部結構。它使腕部具有水平和垂直轉動的兩個自由度。 (4) 機 液結合的腕部結構。 XXXX大學本科畢業(yè)設計（論文） 30 腕部結構和驅動機構 的選擇 本設計要求手腕回轉 ?90 ，綜合以上的分析考慮到各種因素，腕部結構選擇具有一個自由度的回轉驅動腕部結構，采用液壓驅動。 腕部的設計計算 腕部設計考慮的參數(shù) 夾取工件重量 ，回轉 ?90 。 腕部的驅動力矩計算 （ 1） 腕部的驅動力矩需要的力矩 M慣 。 （ 2） 腕部回轉支撐處的摩擦力矩 M摩 。 夾取棒料直徑 80mm，長度 100mm，重量 ，當手部回轉 ?90 時，計算 力矩： （ 1） 手抓、手抓驅動液壓缸及回轉液壓缸轉動件等效為一個圓柱體，高為 220mm，直徑 120mm，其重力估算 G= 230 . 0 6 0 . 2 2 7 8 0 0 9 . 8 1 9 0G Kg m N Kg N?? ? ? ? ? ? （ 2） 擦力矩 MM ?摩 。 （ 3） 啟動過程所轉過的角度 ??啟 018=，等速轉動角速度 ? ?? 。 ? ?22M J J ????慣 工 件 啟 （ ） 查取轉動慣量公式有： 2 2 2 21 1 1 9 0 0 . 0 6 0 . 0 3 4 22 2 9 . 8 NJ M R N m s N m sN K g? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 0 4 1 8 1 1 2 2222 ??????????? ）（工件 RlGJ 代入： ? ? 1 6 1 4 1 8 1 1 2 3 4 2 ????? NM摩 0 .1M M M M M? ? ? ?慣 摩 慣 ??? NM XXXX大學本科畢業(yè)設計（論文） 31 腕部驅動力的計算 表 41 液壓缸的內徑系列（ JB82666） （ mm） 20 25 32 40 50 55 63 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 125 130 140 160 180 200 250 設定腕部的部分尺寸：根據(jù)表 41設缸體內徑 D=100mm，外徑根據(jù)表 42選擇 121mm,這個是液壓缸壁最小厚度，考慮到實際裝配問題后，其外徑為 140mm；動片寬度 b=66mm,輸出軸 d= 所示。則雙葉片擺動液壓缸工作壓力 ? ? ? ? M P arRb MP m 3 6 6 622622 ????? ?????? ?， 其中 m?為液壓缸機械效率，據(jù)《機械設計手冊》第五卷查得 ,~?m? 。為了和系統(tǒng)液壓泵的匹配及冗余設計，選擇 2Mpa 圖 腕部液壓缸剖截面結構示意 表 標準液壓缸外徑（ JB106867） （ mm） 液壓缸內徑 40 50 63 80 90 100 110 125 140 150 160 180 200 20 鋼P 160Mpa? 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 45 鋼200P Mpa? 50 60 76 95 108 121 133 168 146 180 194 219 245 XXXX大學本科畢業(yè)設計（論文）