【導讀】機械手是在機械化、自動化生產(chǎn)過程中發(fā)展起來的一種新裝置。此外，還有力矩電機和伺服電機驅(qū)動。液壓缸選用的均是HSG型液壓缸。由底座、腰部、大臂、小臂、手腕和手部組成。本次設計選取了回轉支撐軸承來。實現(xiàn)腰部和手腕的回轉運動。機構設計完成之后，本次設計還對機械手對桶裝水。的碼垛過程進行運動仿真，主要是分析各部分速度和加速度。

　　

【正文】 缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻 力，其公式為 : zt FFPDF ??? 421 ? (48) 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N tF 彈簧反作用力， N zF 液壓缸工作時的總阻力， N P 液壓缸工作壓力， Pa 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? (49) nDGdGf 31418? (410) 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， . n 彈簧有效圈數(shù) . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設計中，必須考慮負載率 ?的影響，則 : tFpDF ?? 421 ?? (411) 由以上分析得單向作用液壓缸的直徑 : 32 14 ( )F FtD p???? (412) 代入有關數(shù)據(jù)，可得 ?fG nDGd31418 4333915)1030(8 )( ??? ???? ?? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?D 4( 1 )F Ftpn? ? ?64 ( 8 6 6 0 . 5 2 2 0 . 6 )1 6 1 0????? ( )mm? 查有關手冊圓整，根據(jù)實際情況，選取 內(nèi)徑 50D mm? 外徑 =68mm? 其簡圖如下： 33 圖 43 HSG 型活塞桿頭外螺紋耳環(huán)連接 大臂的尺寸和機構設計 大臂是用來支撐和調(diào)整小臂、手腕和末端執(zhí)行器的位置的部件。手臂自身重量較大，還要承受小臂、手腕、末端執(zhí)行器和桶裝水的重量，以及在運動中產(chǎn)生的動載荷，故其 受力情況較復雜。大臂一般安裝在機座上。 （ 1） 大臂的設計要求 大臂設計要求有以下幾點： 大臂的結構和尺寸應滿足機械手完成作業(yè)任務提出的工作空間要求。 根據(jù)大臂所承受的載荷和結構特點，合理選擇手臂截面形狀和高強度輕質(zhì)材料；如常采用空心的薄壁矩形框體或圓管以提高其彎曲剛度和扭轉剛度，減輕自身重量。 盡量減小大臂重量和相對其關節(jié)回轉的轉動慣量和偏重力矩，以減小驅(qū)動裝置的負荷；減小轉動的動載荷與沖擊，提高手臂的響應速度。 要設法減小機械間隙引起的運動誤差，提高運動的精確性和運動剛度。 （ 2） 大臂 的結構、尺寸及材料 下圖為大臂的結構簡圖： 34 圖 44 大臂 其尺寸為：長 寬 高 =1500150150，材料選取 Q235A。 (3)驅(qū)動大臂的液壓缸的選取 液 壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，他們是設計液壓系統(tǒng)，選擇液壓組件的主要依據(jù)。壓力決定于外載荷，流量取決于液壓執(zhí)行組件的運動速度和結構尺寸。 (4) 液壓缸輸出力 液壓缸的輸出力 310??PAF (413) 式中： F—液壓缸的輸出力 P—對應輸出力的工作壓強 有效 工作截面積分無桿腔和有桿腔： 無桿腔： 21 4AD?? (414) 有桿腔： ? ?222 4 dDA ?? ? (415) 計算單活塞桿 1A ，計算的推力是取單活塞桿時液壓缸拉力取 2A (5)液壓缸阻力 FfFiFeF ??? (416) Fe──工作負載為 0 Ff ──摩擦阻力 3 5 0 0 0 .2 7 0 0F f N N?? ? ? ? (417) 35 Fi──慣性負載 i=.gtGVF ?? (418) 式中， G為液壓缸所要移動的總重量，取為 3500N； g 為重力加速度， 2/ sm ； v? 為速度變化量，取 ； t? 啟動或制動時間，一般為 ~ ，取 將各值帶入上式，得 iF =357N。 所以： e i f+F +F =FF? 0 + 7 0 0 + 3 6 7 = 1 0 6 7 N (6) 大臂的承載力 Fn 和驅(qū)動力 Fp 的關系 當液壓缸與豎直方向的夾角為 ? =30176。時，為機械手的最大抓取范圍，也是驅(qū)動力最大的時候，此時 NF 和驅(qū)動力 PF 的關系： 12co s= PN FLF L ? (419) 式中， NF 大臂、小臂、手腕、手部和桶裝水全部重力，估為 3500N PF 液壓缸驅(qū)動力 ? 液壓缸與豎直方向的夾角 ,最大范圍時為 30176。 1L 液壓缸頭部和大臂和基座連接點的水平距離，為 400mm 2L 大臂、小臂、手腕、手部和桶裝水整體的重心與液壓缸尾部的 水 平距 離 ,估為 1800mm 由上述數(shù)據(jù)可得： 21= cosNP FLF L ? 3500 1800= 400 ?? 36 =18187N (7) 手部液壓缸的選用 大臂的驅(qū)動選用雙液壓缸驅(qū)動，液壓缸選取 HSG型液壓缸，此液 壓缸屬于單向作用液壓缸工作壓力為 16MPa。根據(jù)力平衡原理，單向作用液壓缸活塞桿上的輸出推力必須克服彈簧的反作用力和活塞桿工作時的總阻力，其公式為 : zt FFPDF ??? 421 ? (420) 式中 : 1F 活塞桿上的推力， N tF 彈簧反作用力， N zF 液壓缸工作時的總阻力， N P 液壓缸工作壓力， Pa 彈簧反作用按下式計算 : )1( sGF ft ?? (421) nDGdGf 3141? (422) 式中 : fG 彈簧剛度， N/m 1 彈簧預壓縮量， m s 活塞行程， m 1d 彈簧鋼絲直徑， m 1D 彈簧平均直徑， . n 彈簧有效圈數(shù) . G 彈簧材料剪切模量，一般取 PaG ?? 在設計中，必須考慮負載率 ?的影響，則 : tFpDF ?? 421 ?? (423) 由以上分析得單向作用液壓缸的直徑 : 37 14 ( )F FtD p???? (424) 代入有關數(shù)據(jù)，可 得 ?fG nDGd31418 ? 493337 9 .4 1 0 ( 3 .5 1 0 )8 ( 3 0 1 0 ) 1 5??? ? ?? ? ? )/( mN? )1( sGF ft ?? )( 3N? ???? 所以 : ?D 4( 1 )2F Ftpn?? ?64 (18 18 7 10 67 )2 16 10????? ( )mm? 查有關手冊圓整，根據(jù)實際情況，選取 內(nèi)徑 50D mm? 外徑 =68mm? 其簡圖如下： 38 圖 45 HSG型活塞桿頭外螺紋耳環(huán)連接液壓缸 39 5 腰部和基座 結構設計 腰部和基座的結構設計 本次設計的腰部和基座結構如下圖所示： 圖 51 基座 圖 52 腰部 腰部和基座之間用回轉支撐軸承連接。腰部的回轉運動為力矩電機直接驅(qū)動。 力矩電機是一種具有軟機械特性和寬調(diào)速范圍的特種電機。這種電機的軸不是以恒功率輸出動力而是以恒力矩輸出動力。力矩電機包括：直流力矩電機、交流力矩電機、和無刷直流力矩電機。它 具有低轉速、大扭矩、過載能力強、響應快、特性線性度好、力矩波動小等特點，可直接驅(qū)動負載 省去減速傳動齒輪，從而提高了系統(tǒng)的運行精度。 圖 53 力矩電機 回轉支撐軸承的選取 本次設計選取回轉支撐軸承為交叉圓錐滾子軸承， 交叉圓錐滾子軸承的預過 40 盈能使軸承具有較大的支撐剛性和回轉精度 ，其結構簡圖如下圖 54： 圖 54 交叉圓錐滾子軸承 選取的交叉滾子軸承尺寸如下表 ： 表 交叉圓錐滾子軸承參數(shù) 軸承類型 子分類 國內(nèi)型號 規(guī)格（ dDT） 重量 (kg) 回轉支撐軸承 交叉圓錐滾子軸承 52873275 100 力矩電機的選取 腰部回轉時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，腰部的轉動軸與軸承處的摩擦阻力矩以及由于轉動件的中心與轉動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩 .手腕轉動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算 : M M M??驅(qū) 慣 摩 (51) 式中 : 驅(qū)M 驅(qū)動手腕轉動的驅(qū)動力矩 ( cmN? )。 慣M 慣性力矩 ( cmN? )。 (1)腰部加速運動時產(chǎn)生的慣性力矩 若腰部起動過程按等加速運動，手腕轉動時的角速度為 ? ，起動過程所用的時間為 t? ，則 : MJt?? ?慣 (52) 式中 :J 參與腰部轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量 )..( 2scmN 。 ? 腰部轉動時的角速度 (弧度 /s)。 t? 起動過程所需的時間 (s)。 (2)腰部轉動軸在軸頸處的摩擦阻力矩 M?摩 )(2 12 dRdRf BA ? (53) 41 式中 : 1d ， 2d 轉動軸的軸頸直徑 (cm)。 f 摩擦系 數(shù)，對于滾動軸承 ?f ，對于滑動軸承 ? 。 AR , BR 處的支承反力 (N)，估 AR 為 4000N， BR 為 2020N。 (3)選取電機 測定參與腰部轉動的的腰部的質(zhì)量 1 40m kg? ,分析部件的質(zhì)量分布情況，質(zhì)量密度等效分布在一個半徑 500r mm? 的圓盤上，那么轉動慣量： 221rmJ? (54) 240 ?? ? （ ） 大臂、小臂、手腕和桶裝水的重心與轉動軸線不重合，最大偏心距 1 500e mm? ，其轉動慣量為