【正文】 .......................................... 26 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 1 抓件液壓機(jī)械手設(shè)計 摘要 機(jī)械手是在自動化生產(chǎn)過程中使用的一種具有抓取和移動工件功能的自動化裝置。使用機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工的自動化，把人從繁重的體力勞動中解放出來。本次設(shè)計要求我們綜合運(yùn)用液壓、機(jī)械、電控方面的知識，完成液壓機(jī)械手的設(shè)計，包括機(jī)械部分 、液壓系統(tǒng)和 PLC控制部分。通常機(jī)械手的手部要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，通用性好，夾持精度高。液壓系統(tǒng)的設(shè)計包括液壓系統(tǒng)的計算和液壓元件的選用；PLC控制部分包括控制梯形圖的繪制及選擇控制元件。 The PLC control system design including plotting the ladder diagram and selecting the control ponent. Key words Hydraulic manipulator。 design。它是機(jī)器人的一個重要分支。在現(xiàn)代生產(chǎn)過程中，機(jī)械手被廣泛的運(yùn)用于自動生產(chǎn)線中，機(jī)械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復(fù)工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點(diǎn)，因此，機(jī)械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應(yīng)用 （王希敏， 1992） 。機(jī)械手按用途分為專業(yè)機(jī)械手和通用機(jī)械手。其工作范圍大，定位精度高，通用性強(qiáng)，適用于工件經(jīng)常變化的中、小批量自動化生產(chǎn) （李允文， 1994） 。執(zhí)行機(jī)構(gòu)由抓取部分、腕部、臂部等部件組成 （李允文， 1994） 。 驅(qū)動機(jī)械又有氣動、液動、電動、機(jī)械式四種形 式，氣動和液動驅(qū)動方式較為常用。 而液動式臂力大，可用電液伺服結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制，使機(jī)械手的用途和通用性 更廣 （張雅琴， 2022） 。通過設(shè)計可以提高學(xué)生的機(jī)構(gòu)分析與綜合分析的能力、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計能力，掌握實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化的設(shè)計方法。 在機(jī)械手各部分的設(shè)計中，主要考慮了以下幾個方面：機(jī)械結(jié)構(gòu)上，讓各部分的機(jī)構(gòu)盡可能緊 湊，自重和轉(zhuǎn)動慣量盡可能小，同時臂部和機(jī)身還要求有足夠的強(qiáng)度和剛度。液壓部分的設(shè)計主要是確定好系統(tǒng)的工作壓力和流量。初步掌握了機(jī)械手產(chǎn)品的設(shè)計一般步驟。 根據(jù)課題設(shè)計任務(wù)書的要求，確定總體方案： 1. 抓重： 10kg 2. 坐標(biāo)形式：圓柱坐標(biāo) 3. 自由度 ： 3 4. 手臂運(yùn)動參數(shù)： 運(yùn)動名稱 符號 行程范圍 速度 伸縮 X 300mm 小于 200mm/s 升降 Z 200mm 小于 100mm/s 回轉(zhuǎn) α 180176。） /s 手指夾持范圍：棒料，半 徑 40mm～ 60mm。 驅(qū)動方式：液壓驅(qū)動。 2mm。動力采用單作用液壓缸 2驅(qū)動夾緊，反向則由彈簧復(fù)位而松開手指。夾緊 缸的壓力油經(jīng)其中一導(dǎo)管進(jìn)入缸內(nèi)，此結(jié)構(gòu)能使油管布置更加緊湊。 雙作用液壓缸 5驅(qū)動手臂做升降運(yùn)動 圖 11 機(jī)械手工作原理圖 手部（亦稱抓取機(jī)構(gòu)）是用來直接握持工件的部件，由于被握持工件的形狀、尺寸大小、重量、材料性能、表面處理等的不同，則機(jī)械手的手部機(jī)構(gòu)是多種多樣的，大部分的手部結(jié)構(gòu)是根據(jù)特定的工件要求而設(shè)計的 （ 林建龍，王小北， 2022） 。本設(shè)計采用常用的夾鉗式手部結(jié)構(gòu)，它是最常見的夾持式結(jié)構(gòu)。一般情況下多采用兩個手指，少數(shù)采用三指或多指。 夾鉗式手部設(shè)計的基本要求： 應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動力 手指握力（夾緊力）大小要合適，力量過大則動力消耗多，結(jié)構(gòu)龐大，不經(jīng)濟(jì)，甚至?xí)p壞工件；力量過小則夾持不住或產(chǎn)生松動、脫落。對于手部的驅(qū)動裝置來說，應(yīng)有足夠的驅(qū)動力。 手指應(yīng)具有一定的開閉范圍 手指應(yīng)具有足夠的開閉角度或開閉距離，以便于抓取或退出工件。這對一些有方位要求的場合更為重要，如曲拐、凸輪軸一類復(fù)雜的工件，在機(jī)床上安裝的 位置要求嚴(yán)格，因此機(jī)械手的手部在夾持工件后應(yīng)保持相對的位置精度。 應(yīng)考慮通用性和特殊要求 一般情況下，手部多是專用的，為了擴(kuò)大它的適用范圍，提高它的通用化程度，以適應(yīng)夾持不同尺寸和形狀的工件需要，通常采取手指可調(diào)整的辦法，如更換手指甚至更換整個手部。 (李允文， 1994) 確定手部結(jié)構(gòu) 根據(jù)設(shè)計要 求設(shè)計出的手部結(jié)構(gòu)如圖 21所示： 圖 21 手部結(jié) 構(gòu)圖 圖中 NF 為手指對工件的夾緊力， F 為夾緊缸活塞桿的推力。1F ＝ ?cos2 F 且 39。NF b 且 39。 手部夾緊力的計算 手指加在工件上的夾緊力，是設(shè)計手部的主要依據(jù)。一般來說，夾緊力必須克服工件重力所產(chǎn)生的靜載荷以及工件運(yùn)動狀態(tài) 所 產(chǎn)生的載荷（慣性力或慣性力矩），以使工件保持可靠的夾緊狀態(tài)。 取 K2＝ ； K3— 方位系數(shù)，根據(jù)工件形狀以及手指與工件位置不同進(jìn)行選定 ， K3＝ 4 G— 被抓工件所受重力（ N）， G＝ mg＝ 10 ＝ 98N。 手抓夾持誤差分析與計算 機(jī)械手能否準(zhǔn)確夾持工件，把工件送到指定位置，不僅取決于機(jī)械手的定位精度（由臂部和腕部等運(yùn)動部件確定），而且還與手指的夾持誤差大小有關(guān)。 1mm 就可以了。 則： 工件平均半徑： m i n m a x 4 0 6 0 5022cp RRR ? ?? ? ?mm 取 手指 LAB為工件平均半徑的 2 倍： LAB＝ 2 50＝ 100mm 取 V型鉗的夾角 2 120??? 偏轉(zhuǎn)角按最佳偏轉(zhuǎn)角確定： 11 50c o s c o s 5 4 4 4s in 1 0 0 s in 6 0cp ooAB RL ??? ??? 180。 22 m a x m a x1 ( ) 2 c o s s in 8 2 . 4 6 2 8 1 . 6 4 4 0 . 8 1 8s in s inA B A B A BRRL L L m m????? ? ? ? ? ? ?Δ 22 m i n m i n( ) 2 c o s s in 8 2 . 4 6 5 8 1 . 6 4 4 0 . 8 2 1s in s inA B A B A BRRL L L m m????? ? ? ? ? ? ?2Δ ∴ ? ＝ 2? ＝ 1mm 夾持誤差滿足設(shè)計要求。 其中 ： 43) 4 6 28 ZGdP L S NDZ??彈 ＝ （ 式中 ： G— 彈簧材料的剪切模量，對于 鋼材， 10 ( / )G k g c m?? ； D— 彈簧的鋼絲直徑（ 3mm） ； DZ— 彈簧中徑 （ 30mm） ； Z— 彈簧的有效圈數(shù)（ 18 圈） ； L 及 S— 活塞的行程及彈簧的與預(yù)縮量， L=25mm, S=20mm。 由公式 24F D P? ?? 得： 64 4 3 1 0 9 4 5 . 73 . 1 4 2 1 0 0 . 9 5FD m mP?? ?? ? ?? ? ? 式中 : D— 液壓缸內(nèi)徑； P— 液壓缸工作壓力； ? — 液壓缸工作效率， ? ＝ 。 （ 1） 液壓缸 額定工作壓力 ()NP MPa 應(yīng)低于一定極限值，以保證工作安全（李壯云， 2022）。 已知工作壓力 PN＝ 2MPa ，故安全。 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 PN≤（ ～ ） PPl 式中： PPl－缸筒發(fā)生完全塑性變形時的壓力（ MPa ） ， lgpl s DP D??。 （ 3） 缸筒爆裂壓力 ()EaP MP 應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)壓力 PT。 缸筒 兩 端部 的計算 （ 1）缸筒 底部厚度的計算 此夾緊缸采用了平行缸底，且底部設(shè)有油孔，則底部厚度為 （李壯云， 2022） ： ? ? m a x 60 4 0 . 0 50 . 4 3 3 0 . 4 3 3 0 . 0 5 6 . 8( ) 1 2 0 1 0 0 . 0 3 8pDh D m mDd? ?? ? ? ?? ? ? 考慮結(jié)構(gòu)要求，取 h＝ 10mm 式中： D— 缸筒內(nèi)徑 ； Pmax— 液壓缸最大工作壓力，取 Pmax＝ 2PN＝ 4MPa 。則 ??? ＝ 600 1205bn? ??MPa ， n 為安全系數(shù)，取 n＝ 5。 12 2 .52hh h m m? ? ? 外卡環(huán) ab? 側(cè)面上的擠壓應(yīng)力 c? （ MPa ）為 : 2 62m a x 114 1 0 ( 0 . 0 6 ) 2 5 . 0 4 3 1 0( 2 ) 0 . 0 5 ( 2 0 . 0 6 0 . 0 5 )c pD M P a M P ah D h? ??? ? ? ?? ? ? ? 缸筒危險截面 AA? 上的拉應(yīng)力 ? （ MPa ）為 : 2 62m a x 12 2 2 21 4 1 0 ( 0 . 0 6 ) 2 7 . 4 3 5 2 0( ) ( 0 . 0 6 0 . 0 5 ) ( 0 . 0 5 )pD M P a M P aD h D? ??? ? ? ?? ? ? ? 故知缸筒底部聯(lián)接安全。 式中： K— 擰緊螺紋的系數(shù)，取 K＝ 3； K1— 螺紋連接處的摩擦系數(shù) K1＝ ； d0— 螺紋外徑（ m）， d0＝ ； d1— 螺紋底徑（ m）， d1＝ ； 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 Z— 螺釘數(shù)量 Z＝ 4。表面粗糙度：活塞采用橡膠密封圈密封， aR 取~ m? ， 需研磨加工處理。 活塞與活塞桿 的設(shè)計計算 （ 1）活塞設(shè)計 活塞的外徑與缸筒內(nèi)徑一致為 D=50mm， 活塞寬度 B一般為活塞外徑的 ～ ， 這里取為 ，則 B＝ 50＝ 40mm。活塞與缸 筒內(nèi)壁采用 O型密封圈密封 （ 王懋瑤 ， 2022） 。 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 11 加工上，活塞外徑 D 對孔軸線的徑向圓跳動公差值，可按 8 級精度加工，同時其圓柱度公差值，按 10級選??；端面 T對 軸線的垂直度公差值按 8 級精度加工； 外表面粗糙度控制在 ~ ??之間。 活塞桿直徑 d的圓柱度公差值，應(yīng)按 8級精度加工，其圓度 公差值，應(yīng)按 10級精度加工；端面 T的垂直度公差值應(yīng)加工成 7級精度；外圓表面粗糙度應(yīng)處于 ～ m? 之間 （鄭修本， 1999） 。 64 6 6 3 . 5 32 2 7 . 53 1 0 1 0ssFnd m m? ? ? ?? ? ? ??? 已知 d＝ 32mm，故安全。它的作用是支撐腕部和手部（包括工件或工具），并帶動它們作空間運(yùn)動。因此，一般來說臂部具有三個自由度才能滿足基本要求，即手臂的伸縮、左右回轉(zhuǎn)和升降（或俯仰）運(yùn)動。因而，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性以及抓重大小和定位精度等直接影響機(jī)械手的工作性能。 除此之外，要求機(jī)械手的通用性好，能適應(yīng)多種作業(yè)的要求；工藝性好，便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手，還要考慮隔熱、冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵大的機(jī)械手還要設(shè)置防塵 裝置等。 活塞桿只受拉壓作用，受力簡單，傳動平衡，外形整齊美觀，結(jié)構(gòu)緊湊。 （ 3） .手臂的升降采用雙作用液壓缸 驅(qū)動。 理論驅(qū)動力： F F F F F? ? ?理 回摩 密 慣＝ 估算參與手臂運(yùn)動部件總重量 25 9. 8 24 5GN?＝ ＝ ，且重心位置距導(dǎo)向套前端面距離為 200mm。 由 0AM? ＝ 知 bGL aF? 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 13 則： 2 4 5 2 0 0 81660b GLFNa ?? ? ? 又 0Y?? 則 816 245 571abF F G N? ? ? ? ? ∴ ab 0. 15 13 87 20 8baF F F F F N??? ? ? ?摩 摩 摩 ＝ ＝ ＝ 式中： L— 重心距導(dǎo)向套前端距離（ 200mm）； a — 導(dǎo)向套長度（ 60mm）； ?— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，取 ? ＝ ?；钊麠U直徑為液壓缸直 徑的一半， 則活塞和活塞桿都采用 O 型密封圈，此時液壓缸的密封阻力為： F F F?? 驅(qū)密 桿 活 塞 ＝ F 回 的計算：一般背壓阻力較小 ， F 回 ?。? 驅(qū) F 慣 的計算 ： 2 4 5 0 . 1 5 1889 . 8 0 . 0 2GvFNgt????慣 ＝ 式中； v? －由靜止加速到