【正文】 ? ?2 2 2 2 23 1 2 4 0 ( 0 .8 3 0 .0 4 ) / 1 2 2 .1 5cJ m l R Nm? ? ? ? ? ? ? 2 2 21 0 0 0 .7 3 9 .2G Nmg ? ? 。 ? 回轉(zhuǎn)件的重心到回轉(zhuǎn)軸線的距離。 由于參與回轉(zhuǎn)的零件形狀、尺寸和重量各不相同，所以計(jì)算 0J 比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可將形狀復(fù)雜的形體簡(jiǎn)化成幾個(gè)簡(jiǎn)單形體，分別計(jì)算，然后將各值相加，即是復(fù)雜零件對(duì)回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 M M M M? ? ?驅(qū) 回慣 封 慣性力矩的計(jì)算 00M J J t?? ??? ?慣 式中 ?? —— 回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片角速度變化量（ rads ），在起動(dòng)過(guò)程中 ? ? =? ； ? t—— 起動(dòng)過(guò)程的時(shí)間 (s)。回轉(zhuǎn)角度一般靠機(jī)械擋塊來(lái)決定，對(duì)于本設(shè)計(jì)就是考慮兩個(gè)葉片之間可以轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中動(dòng)片和靜片之間可以回轉(zhuǎn)2100。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)下圖。這樣就固定了花鍵軸，也就通過(guò)花鍵軸固定了活塞桿?；钊?桿采用空心，內(nèi)裝一花鍵套與花鍵軸配合，活塞升降由花鍵軸導(dǎo)向。手臂部件與回轉(zhuǎn)缸的上端蓋連接，回轉(zhuǎn)缸的動(dòng)片與缸體連接，由缸體帶動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)機(jī)身包括兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)身的回轉(zhuǎn)和升降。手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過(guò)齒條齒輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)：齒條的往復(fù)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)與手臂連接的齒輪作往復(fù)回轉(zhuǎn)，從而使手臂左右擺動(dòng)。但回轉(zhuǎn)缸與臂部一起升降，運(yùn)動(dòng)部件較大。 （ 2） 回轉(zhuǎn)缸置于升降之上的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是能承受較大偏重力矩。 機(jī)身承載著手臂，做回轉(zhuǎn)，升降運(yùn)動(dòng)，是機(jī)械手的重要組成部分。 機(jī)身的整體設(shè)計(jì) 按照設(shè)計(jì)要求，機(jī)械手要實(shí)現(xiàn)手臂 2100的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一般設(shè)計(jì)在機(jī)身處。因此，臂部的運(yùn)動(dòng)越多，機(jī)身的機(jī)構(gòu)和受力情況就越復(fù)雜。 29 第五章 機(jī)身的設(shè)計(jì)計(jì)算 機(jī)身是直接支撐和驅(qū)動(dòng)手臂的部件。穩(wěn)定性條件可表示為 。 22 1001844P M pa M Pad? ??? ? ? ?? 結(jié)論： 活塞桿的強(qiáng)度足夠。 （ 3） 活塞桿的計(jì)算校核 ①?gòu)?qiáng)度校核 活塞桿的尺寸要滿(mǎn)足活塞（或液壓缸）運(yùn)動(dòng)的要求和強(qiáng)度要求。 （ 2） 液壓缸外徑的設(shè)計(jì) 本 案液壓缸考慮鑄造結(jié)構(gòu)，考慮到鑄造的最小壁厚要求，故最小不小于 3mm，而驅(qū)動(dòng)壓力又較低，故厚度不超過(guò) 10mm。 經(jīng)過(guò)以上分析計(jì)算最后計(jì)算出液壓缸的驅(qū)動(dòng)力： 0. 03 + 0. 05 P=1 11 7. 2NP P P P? ? ?摩 慣 26 液壓缸工作壓力和結(jié)構(gòu)的確定 經(jīng)過(guò)上面的計(jì)算，確定了液壓缸的驅(qū)動(dòng)力 P=，根據(jù)表 選擇液壓缸的工作壓力 P=1MPa （ 1） 確定液壓缸的結(jié)構(gòu)尺寸： 液壓缸內(nèi)徑的計(jì)算，如圖 所示 圖 雙作用液壓缸示意圖 當(dāng)油進(jìn)入無(wú)桿腔， 2114DP P p ????? 當(dāng)油進(jìn)入有桿腔中， ? ?22 21 1 1 249Dd DP P P P? ?? ? ??? ? ? 液壓缸的有效面積： 1PF p? 故有 114 1 .1 3PPD pp? ? ??? （無(wú)桿腔） 192 PD p??? （有桿腔） 式中 P活塞的驅(qū)動(dòng)力 (N) P1油缸的工作壓力 (MPa) d活塞桿直徑 (mm),本案初 設(shè) d=D/3 27 D油缸內(nèi)徑 (mm) η 油缸機(jī)械效率，在工程機(jī)械中用耐油橡膠可取η = 據(jù)上述計(jì)算， P= P1=1MPa，按有桿腔進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果必然滿(mǎn)足無(wú)桿腔的力學(xué)要求。 ? ? ? ? 估算： 250GN?總 ， L=,導(dǎo)向支撐 a設(shè)計(jì)為 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入進(jìn)行計(jì)算 39。 對(duì)于圓柱面： ? ?39。 39。a b a bP P P P P??? ? ? ?摩 摩摩 39。 0AM ?? bG L aP?總 得 b GLP a? 總 0Y?? baG P P??總 得 a LaPG a???? ????總 39。下圖是機(jī)械手的手臂示意圖。 P慣 臂部起動(dòng)或制動(dòng)時(shí)活塞桿上受到的平均慣性力 (N)。 P密 密封裝置處的摩擦阻力 (N)。 P P P P P? ? ? ?回摩 密 慣 P摩 摩擦阻力 (N)。 做水平伸縮直線運(yùn)動(dòng)的液壓缸的驅(qū)動(dòng)力根 據(jù)液壓缸運(yùn)動(dòng)時(shí)所克服的摩擦、慣性、密封等幾個(gè)方面的阻力，來(lái)確定液壓缸所需要的驅(qū)動(dòng)力。 手臂直線運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算 先進(jìn)行粗略的估算，或類(lèi)比同類(lèi)結(jié)構(gòu)，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸，再進(jìn)行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。 （ 4） 活塞桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)。 （ 2） 手臂的典型運(yùn)動(dòng)形式有 ：直線運(yùn)動(dòng)，如手臂的伸縮，升降和橫向移動(dòng)；回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如手臂的左右擺動(dòng)，上下擺動(dòng)；符合運(yùn)動(dòng)，如直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組合，兩直線運(yùn)動(dòng)的雙層液壓缸空心結(jié)構(gòu)。為此，必須計(jì)算使之滿(mǎn)足不自鎖的條件。 三、手臂動(dòng)作應(yīng)該靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)之間的摩擦阻力，盡可能用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 （ 3） 減少回轉(zhuǎn)半徑 ? ，再安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí) ，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(dòng)作。減少慣量具體有 3個(gè)途徑： （ 1） 減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金材料。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在 1000 1500 mm s,最大回轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在0180s 內(nèi)，大部分平均移動(dòng)速度為 1000mm s ，平均回轉(zhuǎn)角速度在 090s 。 （ 5） 提高配合精度。 （ 3） 合理布置作用力的位置和方向。 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 一、 臂部應(yīng)承載能力大、剛度好、自重輕 （ 1） 根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。手臂的各種運(yùn)動(dòng)通常用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，從臂部的受力情況分析，它在工作中即直接承受腕部、手部、和 工件的靜、動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)較多。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實(shí)現(xiàn)。本章敘述手臂的伸縮運(yùn)動(dòng)， 手臂的回轉(zhuǎn)和升降運(yùn)動(dòng)設(shè)置在機(jī)身處，將在下一章敘述。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動(dòng)它們作空間運(yùn)動(dòng)。 ? ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （ 1/s）。m） ② 當(dāng)知道啟動(dòng)過(guò)程所轉(zhuǎn)過(guò)的角度 ? 時(shí)，也可以用下面的公式計(jì)算 M 慣： M 慣 =（ J+J 工件）??22 （ Nm2 ） J 工件 ——工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （ kgm） ⑶ 腕部啟動(dòng)時(shí)的慣性阻力矩 M 慣 ① 當(dāng)知道手腕回轉(zhuǎn)角速度 ? 時(shí)，可用下式計(jì)算 M 慣 M 慣 =（ J+J 工件） t? （ N m） M 封 ——腕部回轉(zhuǎn)缸的東片與定片、缸內(nèi)壁、端蓋、等處密封裝置的摩擦阻力距（ N178。 m） M 偏 ——參與轉(zhuǎn)動(dòng)的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸體的動(dòng)片）對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)軸線所產(chǎn)生的偏重力矩 （ N178。手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： M 驅(qū) =M 慣 +M 偏 +M 摩 +M 封 （ N178。當(dāng)回轉(zhuǎn)油缸的兩腔分別通入壓力油時(shí)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)片連同夾緊油缸缸體和指座一同轉(zhuǎn)動(dòng)，即為手腕的回 20 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。. 如下圖所示為腕部的結(jié)構(gòu)，定片與后蓋，回轉(zhuǎn)缸體和前蓋均用螺釘和銷(xiāo)子進(jìn)行連接和定位，動(dòng)片與手部的夾緊油缸缸體用鍵 連接。 另外，通往手腕油缸的管道盡量從手臂內(nèi)部通過(guò)，以便手腕轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)管路不扭轉(zhuǎn)和不外露，使外形整齊。 ② 轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，密封性要好。 ,Rmin=25mm ,Rmax=35mm 代入公式計(jì)算得 最大定位誤差 △=∣ — ∣ =＜ 故符合要求 . 第三章 腕部 結(jié)構(gòu) 腕部是連接手部與臂部的部件，起支承手部的作用。 1179。 179。 ） 179。 50179。,α=30176。為了考慮工件在傳送過(guò)程中產(chǎn)生的慣性力、振動(dòng)以及傳力機(jī)構(gòu)效率的影響，其實(shí)際的驅(qū)動(dòng)力 P 實(shí)際應(yīng)按以下公式計(jì)算，即： P 實(shí)際 =PK1K2/η 式中 η——手部的機(jī)械效率，一般取 ~； K1——安全系數(shù)，一般取 ~2 K2——工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響， K2可近似按下式估計(jì)， K2=1+a/g，其中 a 為被抓取工件運(yùn)動(dòng)時(shí)的最大加速度， g 為重力加速度。 這種手 部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有動(dòng)作靈活 等特點(diǎn)。~40176。 α角小時(shí)可獲得較大的握力， α=0 的時(shí)候使手指閉合到最小位置即為自鎖位置 ， 這時(shí)去掉驅(qū)動(dòng)力，工件也不會(huì)自行脫落。 c——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到 連桿鉸鏈連接點(diǎn) 的距離（毫米） α——工件被夾緊時(shí)手指的滑槽方向與兩回轉(zhuǎn)支點(diǎn)連線間的夾角。手指握緊工件時(shí)所需的力稱(chēng)為握力（即夾緊力），假想握力作用在過(guò)手指與工件接觸面的對(duì)稱(chēng)平面內(nèi)，并設(shè)兩力的大小相等，方向相反，以 N 表示。 作用在拉桿上的驅(qū)動(dòng)力 3 為 P， 兩連桿 2 對(duì)拉桿 反作用力為 P P2，其力的方向 沿連桿兩鉸鏈中心的連線 ， 指向 O 點(diǎn)并與水平方向成 α角，由拉桿的力平衡條件可知 ，即 ∑Fx=0,P1=P2。 ⑤ 應(yīng)考慮被抓取對(duì)象的要求 應(yīng)根據(jù)抓取工件的形狀、抓取部位和抓取數(shù) 量的不同，來(lái)設(shè)計(jì)和確定手指的形狀。例如圓柱形工件采用帶 ?V?形面的手指，以便自動(dòng)定心。若夾持不同直徑的工件，應(yīng)按最大直徑的工件考慮。 ② 手指間應(yīng)有一定的開(kāi)閉角 兩個(gè)手指張開(kāi)與閉合的兩個(gè)極限位置所夾的角度稱(chēng)為手指的開(kāi)閉角。其傳力機(jī)構(gòu)形式比較多，如滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜楔杠桿式、齒輪齒條式、彈簧杠桿式 …… 等，這里采用 連桿 杠桿式。機(jī)械手結(jié)構(gòu)型式不象人手，它的手指形狀也不象人的手指、它沒(méi)有手掌，只有自身的運(yùn)動(dòng)將物體包住，因此，手部結(jié)構(gòu)及型式根據(jù)它的使用場(chǎng)合和被夾持工件的形狀，尺寸，重量，材質(zhì)以及被抓取部位等的不同而設(shè)計(jì)各種類(lèi)型的手部結(jié)構(gòu)，它一般可分為鉗爪式，氣吸式，電磁式和其他型式。 3mm。 速度 小于 90186。 小于 90186。 課題的主要 要求 設(shè)計(jì)通用圓柱坐標(biāo)系機(jī)械手及控制系統(tǒng)。其中最為突出的是水下機(jī)器人， 6000m水下無(wú)纜機(jī)器人的成果居世界領(lǐng)先水平，還開(kāi)發(fā)出直接遙控機(jī)器人、雙臂協(xié)調(diào)控制機(jī)器人、爬壁機(jī)器人、管道機(jī)器人等機(jī)種 :在機(jī)器人視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、聲覺(jué)等基礎(chǔ)技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用上開(kāi)展了不少工作，有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)。以上原因主要是沒(méi)有形成機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國(guó)的機(jī)器人生產(chǎn)都是應(yīng)用戶(hù)的要求，“一客戶(hù)，一次重新設(shè)計(jì)”，品種規(guī)格多、批量小、零部件通用 化程度低、供貨周期長(zhǎng)、成本也不低，而且質(zhì)量、可靠性不穩(wěn)定。但總的來(lái)看，我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)及其工程應(yīng)用的水平和國(guó)外比還有一定的距離，如 :可靠性低于國(guó)外產(chǎn)品 :機(jī)器人應(yīng)用工程起步較晚，應(yīng)用領(lǐng)域窄，生產(chǎn)線系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外比有差距 。我國(guó)的工業(yè)機(jī)器人從 80年代“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò)“七五”、“八五”科技攻關(guān)，目 13 前己基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開(kāi)發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn) 等機(jī)器人 。 (7)機(jī)器人化機(jī)械開(kāi)始興起。 (6)當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的監(jiān)控 遙控操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室進(jìn)入實(shí)用化階段。多傳感器融合配置技術(shù)在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應(yīng)用。器件集成度提高，控制柜日見(jiàn)小巧，且采用模塊化結(jié)構(gòu) :大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。國(guó)外已有模塊化裝配機(jī)器人產(chǎn)品問(wèn)市。 (2)機(jī)械結(jié)構(gòu)向模塊化、可重構(gòu)化發(fā)展。這類(lèi)工業(yè)機(jī)械手一般采用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。目前使用的專(zhuān)用和通用工業(yè)機(jī)械手均屬于此類(lèi)。 (三 )按控制方式分 點(diǎn)位控制 它的運(yùn)動(dòng)為空間點(diǎn)到點(diǎn)之間的移動(dòng)，只能控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中幾個(gè)點(diǎn)的位置，不能控 12 制其運(yùn)動(dòng)軌跡。其中直線電機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度快和行程長(zhǎng)，維護(hù)和使用方便。動(dòng)作頻率大，但結(jié)構(gòu)較大，動(dòng)作程序不可變。它是一種附屬于工作主機(jī)的專(zhuān)用機(jī)械手，其動(dòng)力是由工作機(jī)械傳遞的。但是，由于空氣具有可壓縮的特性，工作速度的穩(wěn)定性較差