【正文】 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。本設(shè)計手部采用二手指滑槽杠桿式機構(gòu)，腕部和肩部采用旋轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動作。搬運機械手設(shè)計，相對于通用機械手而言，其動作固定，結(jié)構(gòu)簡單，同時成本低廉，專用性比較高，可實現(xiàn)車間內(nèi)的一些搬運裝卸工作。讓我對當(dāng)前國內(nèi)外在此方面的一些先進生產(chǎn)和制造技術(shù)有了一定的認識。通過仿真分析可知，所設(shè)計的搬運機械手的功能是可以實現(xiàn)的。圖710 工序七 本章小結(jié)本章為搬運機械手設(shè)計的機構(gòu)運動仿真部分。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76 工序三工序四：腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸工作，使工件旋轉(zhuǎn)。圖74 工序一工序二：手部液壓缸工作，使手指夾緊工件。圖72 手部腕部放大展示如圖73所示，為電機插入狀態(tài)展示，通過電機的插入，使搬運機械手得以實現(xiàn)連貫動作。 機械手靜態(tài)展示與局部放大展示如圖71所示，為搬運機械手初始狀態(tài)，在初始狀態(tài)手指為張開狀態(tài)。運行位置分析或運動學(xué)分析后，可回訪運動的結(jié)果查看數(shù)據(jù)、創(chuàng)建軌跡曲線、創(chuàng)建運動包絡(luò)等多種操作來使用分析結(jié)果。此步驟是運動學(xué)仿真的關(guān)鍵內(nèi)容，可進行機構(gòu)的運動學(xué)分析或位置分析，并模擬機構(gòu)運動過程。如果希望運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；若要在運動分析中測量機構(gòu)的位置，則應(yīng)在此步驟中創(chuàng)建測量。（4）準備分析。（3）添加伺服電動機。創(chuàng)建模型后，應(yīng)通過“拖動”等方法驗證其運動，用于檢驗定義的連接是否能產(chǎn)生預(yù)期的運動。除了要建立可運動的裝配模型外，還應(yīng)設(shè)置運動軸的位置、運動限制等內(nèi)容，對于含有凸輪、齒輪副等的機構(gòu)，海英建立凸輪、齒輪副等特殊連接。在PRO/E中包括裝配分析、速度分析、靜態(tài)分析、運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，主要包括運動回收，可分析干涉檢驗，運動包絡(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。建立運動模型是指進行機械各部分的具體設(shè)計，并在計算機上進行二維繪圖和三維實體造型，然后通過裝配模塊完成各零件的組裝，形成整機。機構(gòu)仿真還可以分析力與運動之間的關(guān)系，分析運動量以及運動副之間的相互關(guān)系，關(guān)鍵部件的受力分析情況，實時測量指定部分的各種參數(shù)并繪制相應(yīng)曲線、圖表，可直觀了解運動主體上某點的運動軌跡。第7章 搬運機械手運動仿真分析 運動仿真簡介機構(gòu)運動仿真技術(shù)就是通過對機構(gòu)添加運動副、驅(qū)動器，使其運動起來，實現(xiàn)機構(gòu)的運動模擬。主要包括機身旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和機身升降結(jié)構(gòu)。通過分析計算（過程類似機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。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。圖61 機身結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖 機身旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計 機身旋轉(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。驅(qū)動機構(gòu)是液壓驅(qū)動，回轉(zhuǎn)缸通過兩個油孔，一個進油孔，一個排油孔，分別通向回轉(zhuǎn)葉片的兩側(cè)來實現(xiàn)葉片回轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)缸的底蓋與升降缸的活塞桿連接。如下圖所示，回轉(zhuǎn)機構(gòu)置于升降缸之上的機身結(jié)構(gòu)。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)。（3）活塞缸和齒條齒輪機構(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。其缺點是回轉(zhuǎn)運動傳動路線長，花鍵軸的變形對回轉(zhuǎn)精度的影響較大。常用的機身結(jié)構(gòu)有以下幾種：（1）回轉(zhuǎn)缸置于升降之下的結(jié)構(gòu)。為了設(shè)計出合理的運動機構(gòu)，就要綜合考慮分析。機身是可以固定的，也可以是行走的，既可以沿地面或架空軌道運動。一般實現(xiàn)手臂的回轉(zhuǎn)和升降運動，這些運動的傳動機構(gòu)都安裝在機身上，或者直接構(gòu)成機身的軀干與底座相連。結(jié)合設(shè)計要求，確定了手臂的機構(gòu)形式，通過力學(xué)計算，對臂部液壓缸進行了選型，并確定了其結(jié)構(gòu)尺寸。 手臂液壓缸活塞桿的強度校核搬運機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，活塞桿的強度是達到要求的。所以， 式（518）根據(jù)表選擇標準液壓缸內(nèi)徑，D=65mm。因此， 式（511）（3）密封裝置摩擦阻力的計算 本機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。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，進而求得液壓缸的驅(qū)動力。（2）雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)（3）活塞桿和齒輪齒條機構(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。為此，必須計算使之滿足不自鎖的條件。為減少手臂運動之間的摩擦阻力，盡可能用滾動摩擦代替滑動摩擦。減少慣量具體有3個途徑：減少手臂運動件的重量，采用鋁合金材料；減少臂部運動件的輪廓尺寸；減少回轉(zhuǎn)半徑，再安排機械手動作順序時，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行回轉(zhuǎn)動作。e、提高配合精度。c、合理布置作用力的位置和方向。a、根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機械手的工作性能。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備3個自由度才能滿足基本要求， 既手臂伸縮、左右回轉(zhuǎn)、和升降運動。臂部運動的目的是把手部送到空間運動范圍內(nèi)任意一點。手臂的回轉(zhuǎn)和伸展運動是通過立柱來實現(xiàn)的，立柱的橫向運動即為手臂的橫移。 本章小結(jié)本章通過對機械手腕部力學(xué)計算，選取了旋轉(zhuǎn)液壓缸，確定了腕部結(jié)構(gòu)尺寸，并對旋轉(zhuǎn)液壓缸連接螺栓進行了校核。 腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸螺釘?shù)挠嬎懵葆旈g距示意如圖43圖43 螺釘間距示意圖螺釘間距t與p之間的關(guān)系如表43表43 螺釘間距t與壓力P關(guān)系表工作壓力P(Mpa)螺釘間距t（mm）小于150小于120小于100小于80螺釘間距t，與工作壓力P有關(guān)，所以旋轉(zhuǎn)液壓缸螺釘間距小于150mm，所以每個螺釘?shù)奈ｋU截面承受壓力為 式（49）已知參數(shù)液壓缸工作壓力P=4Mpa，所以螺釘間距應(yīng)小于150mm，初步擬定螺釘數(shù)為4個，則： 式（410） ，所以擬定的螺釘數(shù)是合理的。所以，由公式41可知，驅(qū)動力矩為 式（47）解得： 圖42 旋轉(zhuǎn)液壓缸 腕部旋轉(zhuǎn)液壓缸的確定液壓缸內(nèi)徑參數(shù)如表41表41 液壓缸的內(nèi)徑系列（JB82666）2025324050556365707580859095100105110125130140160180200250液壓缸內(nèi)徑參數(shù)如表42表42 標準液壓缸外徑系列（JB106867）缸內(nèi)徑（mm）63100110125140150160180200缸外徑（mm）76121133168146180184219245根據(jù)表42，選擇旋轉(zhuǎn)液壓缸的內(nèi)徑為180mm，外徑為219mm，考慮到螺栓，外徑設(shè)定為226mm，旋轉(zhuǎn)液壓缸動片厚度設(shè)定為30mm，輸出軸與手指液壓缸缸體相連，設(shè)定直徑為45mm，輸出軸與動片用鍵連接，鍵參數(shù)bh=149（mm）。轉(zhuǎn)動慣量公式為： 式（44） 式（45）將上面結(jié)果帶入公式43得： 式（46）偏心力矩M偏，因為工件重心與腕部回轉(zhuǎn)中心線重合，所以偏心力矩M偏=0。結(jié)構(gòu)形式如圖41所示。它使腕部具有水平和垂直轉(zhuǎn)動的兩個自由度。這種結(jié)構(gòu)外形尺寸較大，一般適用于懸掛式臂部。（2）齒條活塞驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。腕部回轉(zhuǎn)運動一般是通過旋轉(zhuǎn)液壓缸實現(xiàn)。 腕部結(jié)構(gòu)選型 典型的腕部結(jié)構(gòu)（1）具有一個自由度的回轉(zhuǎn)驅(qū)動的腕部結(jié)構(gòu)。（2）結(jié)構(gòu)考慮，合理布局腕部作為機械手的執(zhí)行機構(gòu)，又承擔(dān)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(yīng)綜合考慮，合理布局，解決好腕部與臂部和手部的連接。顯然，腕部的結(jié)構(gòu)、重量和動力載荷，直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運轉(zhuǎn)性能。因此手腕最多具有四個獨立運動即四個自由度。此外，機械手腕部具有獨立的自由度，可以使機械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求[7]。第4章 機械手的腕部結(jié)構(gòu)分析計算 腕部設(shè)計的基本要求腕部是連接手部和手臂的部件，它的作用主要是在臂部運動的基礎(chǔ)上進一步改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強。 本章小結(jié)本章為搬運機械手手部結(jié)構(gòu)的相關(guān)計算。 彈簧的設(shè)計計算圖34 彈簧示意圖取硅錳彈簧鋼，查表的切應(yīng)力為800MPa，選取旋繞比C為8。手指長度為100mm，指間平行間距為50mm，所以最小夾持半徑25mm。表31液壓缸工作壓力參數(shù)表作用在活塞上的外力F，N液壓缸工作壓力，Mpa作用在活塞上的外力F，N液壓缸工作壓力，Mpa小于500020000至300005000至1000030000至5000010000至2000050000以上根據(jù)公式 式（34）可得結(jié)合以上計算，根據(jù)表32，選取液壓缸內(nèi)徑為D=63mm，活塞桿內(nèi)徑為d=32mm。求夾緊力FN和驅(qū)動力F以及驅(qū)動液壓缸的尺寸。計算：設(shè)a=100 ，b=50，10176?？山瓢聪率焦浪鉑2=1+，其中為重力方向的最大上升加速度。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)。1——手指 2——銷軸 3——杠桿圖33 斜楔杠桿式手部結(jié)構(gòu)受力分析 夾緊力及驅(qū)動力的計算手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。由得 由得 由得 因為h= ，所以 式（31）式中 a ——手指的回轉(zhuǎn)支點到對稱中心的距離（mm）； ——工件被夾緊時手指的方向與兩回轉(zhuǎn)支點的夾角。油缸左腔進油時，活塞左側(cè)的壓力大于右側(cè)彈簧壓力，從而使活塞桿向右運動，進而使兩手指張開，放開工件。圖31 手部張開示意圖 拉緊裝置原理如圖32所示，手部的拉緊裝置為單作用液壓缸和彈簧組合而成。此種結(jié)構(gòu)較為簡單，制造方便。夾緊裝置選擇常開式夾緊裝置，它在彈簧的作用下機械手手抓閉和，在壓力油作用下，彈簧被壓縮，從而機械手手指張開。若采用典型的平移型手指，驅(qū)動力需加在手指移動方向上，這樣會使結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜且體積龐大，顯然是不合適的，因此不選擇這種類型。 搬運機械手手部的設(shè)計計算常用的工業(yè)機械手手部采用夾持式手指，按運動形式可分為回轉(zhuǎn)型和平移型。手指是專用性強的部件，為適應(yīng)小批量多品種工件的不同形狀和尺寸要求，可制成組合式的手指。主要考慮抓取形狀，抓取部位以及抓取數(shù)量等方面。（4）應(yīng)保證手抓的夾持精度[6]。若抓取不同直徑的工件，應(yīng)該按照最大直徑的工件考慮。考慮工件的重量，以及在傳送或操作工程中所產(chǎn)生的慣性力和振動，以保證工件不會產(chǎn)生松動。明確設(shè)計的參數(shù)要求后，選定機械手的基本形式，確定機械手的主要結(jié)構(gòu)，并且選擇了液壓驅(qū)動的方式。（4）機身，采用一個直線缸和一個回轉(zhuǎn)缸來實現(xiàn)手臂升降和回轉(zhuǎn)。初步確定機構(gòu)結(jié)構(gòu)形式如圖22所示。圖2