【正文】 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的幾個(gè)問題 ① 應(yīng)具有足夠的握力（即夾緊力） 在確定手指的握力時(shí)，除考慮工件重量外，還應(yīng)考慮在傳送或操作過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)，以保證工件不致產(chǎn)生松動(dòng)或脫落。手指的開閉角保證工件能順利進(jìn)入或脫開。 ③ 應(yīng)保證工件的準(zhǔn)確定位 為使手指和被夾持工件保持準(zhǔn)確的相對(duì)位置，必須根據(jù)被抓取工件的形狀，選擇相應(yīng)的手指形狀。 ④ 應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度 手指除受到被夾持工件的反作用力外，還受到機(jī)械手在運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的慣性力和振動(dòng)的影響，要求具有足夠的強(qiáng)度和剛度以防止折斷或彎曲變形，但應(yīng)盡量使結(jié)構(gòu)簡單緊湊，自重輕。 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化一班 11 手部計(jì)算 驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算 圖 1 連桿 杠桿式手部受力分析 如圖所示為 連桿 式手部結(jié)構(gòu)?！艶y=0 P=2P1cosα P1=P/2cosα 連桿 對(duì)手指的作用力為 p1′，因連桿 2 為 2 力桿 。由手指的力矩平衡條件，即 ∑m01(F)=0得 P1′h=Nb 因 h=c cosα 所以 P=2 b tgα N/c 式中 b——手指的回轉(zhuǎn)支點(diǎn)到對(duì)稱中心線的距離（毫米）。 由上式可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力 P 一定時(shí)， 握力 N與 α角成正切反比。若拉桿再往下移動(dòng)，則手指反而會(huì)松開，為避免這種情況的發(fā)生，需保持α大于零 ，一般取 α=30176。這里取角 α=30度。查《工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》中表 21 可知， V形手指夾緊圓棒料時(shí)，握力的計(jì)算公 式 N=，綜合前面驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算方法，可求出驅(qū)動(dòng)力的大小。 本機(jī)械手的工件只做水平和垂直平移， 當(dāng)它的移動(dòng)速度為 500 毫米 /秒，移動(dòng)加速度為 1000 毫米 /秒 2 ，工件重量 G為 300 牛 頓， V型鉗口的夾角為 120176。時(shí)，拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力 P 和 P 實(shí)際計(jì)算如下： 根據(jù)鉗爪夾持工件的方位，由水平放置鉗爪夾持水平放置的工件的當(dāng)量夾緊力計(jì)算公式 N==150（ N） 選取 b=50 c=30 由 連桿 杠桿式結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力計(jì)算公式 P=2btgα N/c 得 P=P 計(jì)算 =2179。 tg（ 30176。 150／ 30≈ （ N） 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化一班 13 P 實(shí)際 =P 計(jì)算 K1K2/η 取 η=, K1=, K2=1+1000/9810≈ 則 P 實(shí)際 =179。 ≈ (N) 夾緊裝置是使手指夾緊工件的動(dòng)力裝置，此外，選用液壓驅(qū)動(dòng)，為單向作用缸，回程用彈簧驅(qū)動(dòng)，手指夾緊工件時(shí)，缸的驅(qū)動(dòng)力為 P 推 =D2Pπ／ 4 其中 D—— 活塞直徑，選取直徑 28mm的液壓缸 P—— 驅(qū)動(dòng)流體壓 力，選取 P=1MPa 計(jì)算可得： P 推 =282179。π／ 4=（ N） P 推 ＞ P 實(shí)際 故夾緊缸的選擇滿足題目要求 兩支點(diǎn)回轉(zhuǎn)式鉗爪的定位誤差的分析 圖 2 帶浮動(dòng)鉗口的鉗爪 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化一班 14 鉗口與鉗爪的連接點(diǎn) E 為鉸鏈聯(lián)結(jié) ,如圖示幾何關(guān)系 ,若設(shè)鉗爪對(duì)稱中心 O 到工件中心 O′的距離為 x,則 x= 22 )s in/( abRl ??? ? 當(dāng)工件直徑變化時(shí) ,x 的變化量即為定位誤差 △,設(shè)工件半徑 R 由 Rmax變化到 Rmin時(shí) ,其最大定位誤差為 △=∣ 22 )s inm a x /( abRl ??? ? 22 )s inm in/( abRl ??? ?∣ 其中 l=50mm ,b=10mm ,a=45mm ,2? =120176。設(shè)計(jì)腕部時(shí)要注意以下幾點(diǎn)： ① 結(jié)構(gòu)緊湊，重量盡量輕。 ③ 注意解決好腕部也手部、臂部的連接，以及各個(gè)自由度的位置檢測(cè)、管線的布置以及潤滑、維修、調(diào)整等問題 ④ 要適應(yīng)工作環(huán)境的需要。 腕部的結(jié)構(gòu)形式 本機(jī)械手采用回轉(zhuǎn)油缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)腕部回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，但密封性差，回轉(zhuǎn)角度為 180176。 夾緊缸體也指座固連成一體。 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化一班 15 手腕驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算 驅(qū)動(dòng)手腕回轉(zhuǎn)時(shí)的驅(qū)動(dòng)力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩必須克服手腕起動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動(dòng)片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動(dòng)的重心與軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。 m） 式中 M 驅(qū) ——驅(qū)動(dòng)手腕轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力矩 M 慣 ——慣性力矩 （ N178。 m） M 摩 ——手腕轉(zhuǎn)動(dòng)軸與支承孔處的摩擦力矩 （ N178。 m） 工件重心偏置力矩引起的偏置力矩 M偏 M 偏 =G1 e （ ） 式中 G1——工件重量（ N） 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化一班 16 e——偏心距（即工件重心到碗回轉(zhuǎn)中心線的垂直距離），當(dāng)工件重心與手腕回轉(zhuǎn)中心線重合時(shí)， M 偏為零 當(dāng) e=， G1=300N時(shí) M 偏 =6（ Nm） 式中 ? ——手腕回轉(zhuǎn)角速度 （ 1/s） T——手腕啟動(dòng)過程中所用時(shí)間（ s），（假定啟動(dòng)過程中近為加速運(yùn)動(dòng)） J——手腕回轉(zhuǎn)部件對(duì)回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（ kgm2 ） 按已知計(jì)算得 J=， J 工件 =， ? =,t=2 故 M 慣 = （ Nm） 式中 ? ——啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度（ rad） 。 考慮到驅(qū)動(dòng)缸密封摩擦損失等因素，一般將 M 取大一些，可取 M =∽ （ M 慣 +M 偏 +M 摩 ） （ ） M = *（ ++） = （ ） 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化一班 17 第四章 臂部的結(jié)構(gòu) 手臂部件是機(jī)械手的主要握持部件。手臂運(yùn)動(dòng)應(yīng)該包括 3個(gè)運(yùn)動(dòng)：伸縮、回轉(zhuǎn)和升降。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。因此，一般來說臂部應(yīng)該具備 3個(gè)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(yùn)動(dòng)。因此，它的結(jié)構(gòu)、工作范圍、靈活性等直接影響到機(jī)械手的工作性能。 （ 2） 提高支撐剛度和合理選擇支撐點(diǎn)的距離。 （ 4） 注意簡化結(jié)構(gòu)。 二、 臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 機(jī)械手手部的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手的主要參數(shù)之一，它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平。在速度和回轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，減小自身重量是減小慣性的最有效，最直接的辦法，因此，機(jī)械手臂部要盡可能的輕。 （ 2） 減少臂部運(yùn)動(dòng)件的輪廓尺寸。 （ 4） 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件、導(dǎo)向件和定位件布置合理，使手臂運(yùn)動(dòng)盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生機(jī)構(gòu)卡死（自鎖現(xiàn)象）。 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化一班 18 手臂的典型機(jī)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)的選擇 手臂的典型運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 常見的手臂伸縮機(jī)構(gòu)有以下幾種： （ 1） 雙導(dǎo)桿手臂伸縮機(jī)構(gòu)。 （ 3） 雙活塞桿液壓崗結(jié)構(gòu)。 手臂運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇 通過以上，綜合考慮，本設(shè)計(jì)選擇雙導(dǎo)桿伸縮機(jī)構(gòu)，使用液壓驅(qū)動(dòng) ,液壓缸選取雙作用液壓缸。如此反復(fù)，繪出最終的結(jié)構(gòu)。液壓缸活塞的驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。臂部運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)件表面間的摩擦力，如導(dǎo)向裝置、活塞和缸壁等處的阻力。 P回 油缸回油腔低壓油造成的阻力 (N)，一般背壓阻力較小，可取 P回 =。 手臂摩擦力的分析與計(jì)算 分析： 摩擦力的計(jì)算 不同的配置和不同的導(dǎo)向截面形狀，其摩擦阻力是不同的，要根據(jù)具合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化一班 19 體情況進(jìn)行估算。 圖 機(jī)械手臂部受力示意 計(jì)算如下： 不同的配置和不同的導(dǎo)向截 面形狀， P摩是不同的，要根據(jù)具體情況進(jìn)行估算，本案為圓柱面雙導(dǎo)向桿導(dǎo)向，導(dǎo)向桿對(duì)稱配置在油缸兩側(cè)的水平伸縮缸，起動(dòng)時(shí)，導(dǎo)向裝置處的摩擦阻力較大，由于導(dǎo)向桿對(duì)稱配置，兩導(dǎo)向桿受力均衡，可按一個(gè)導(dǎo)向桿計(jì)算。39。 2 LaPG a? ????? ????總摩 式中 G總 — — 參與運(yùn)動(dòng)的零部件所受的總重力（含工件）（ N）； 合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)化一班 20 L—— 手臂與運(yùn)動(dòng)的零部件的總重量的重心到導(dǎo)向支撐的前端的距離（ m） a—— 導(dǎo)向支撐的長度（ m） 。? —— 當(dāng)量摩擦系數(shù)，其值與導(dǎo)向支撐的截面有關(guān)。 4 1 .2 7 1 .5 72?? ? ????? ? ????? ? —— 摩擦系數(shù)，對(duì)于靜摩擦且無潤滑時(shí)： 鋼對(duì)青銅：取 ? ? 鋼對(duì)鑄鐵：取 ? ? 計(jì)算： 導(dǎo)向桿的材料選擇鋼，導(dǎo)向支撐選擇鑄鐵 39。 2 2 0 . 5 0 . 0 82 5 0 0 . 3 1 0 1 2 . 50 . 0 8LP G Na? ??? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ?總摩 手臂慣性力的計(jì)算 本設(shè)計(jì)要求手臂平動(dòng)是 V=,在計(jì)算 慣性力的時(shí)候 ,設(shè)置啟動(dòng)時(shí)間 ?? ，啟動(dòng)速度 ? V=V=, GvP gt?? ?總慣 GvP gt?? ?總慣 2 5 0 0 .3 / 1 5 .39 .8 0 .5N m s NN K g S???? 密封裝置的摩擦阻力 不同的密封圈其摩擦阻力不同，在手臂設(shè)計(jì)中，采用 O型密封，當(dāng)液壓缸工作壓力小于 10Mpa，活塞桿直徑為油缸直徑的一半，活塞與活塞桿處都采用 O 形圈密封時(shí)，液壓缸處密封的總摩擦阻力可以近似為： ?封(因手部軸線與臂部伸縮軸線垂直 ，手部油管不會(huì)經(jīng)過臂部，故油管密封不考慮 )。 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入： 19 1 1 1 7 . 23 4 0 . 82 2 1 0 . 9 6PD m mp? ? ?? ? ? ??? 根據(jù)表 32油缸內(nèi)徑系列（ GB/T234893），選擇標(biāo)準(zhǔn)液壓缸內(nèi)徑， D=50mm. 活塞桿直徑 d=50/3=， 圓整為 d=18mm。按中等壁厚進(jìn)行計(jì)算 (16D/δ )： ? ?( 2 .3 )PD CP? ?????計(jì) 計(jì) 式中 ? 強(qiáng)度系數(shù) (當(dāng)為無縫鋼管時(shí)取值為 1，本案為鑄造式，取值 ) C計(jì)入管壁公差及侵蝕的附加厚度 ??? 油缸材料的許用應(yīng)力 (MPa)； ? ? bn?? ? ，其中 b? 為油缸材料的抗拉強(qiáng)度， n為安全系數(shù)，一般 n=3～ 5 一般常用缸體材料的許用應(yīng)力 ??? 為： 鍛鋼 ??? =110～ 120MPa 鑄鋼 ??? =60MPa 無縫管 ??? =100～ 110MPa 代入數(shù)據(jù)： ? ? 1 . 3 1 5 0 2 2 . 7( 2 . 3 ) ( 2 . 3 6 0 1 . 3 1 ) 0 . 7PD C m mP? ?? ??? ? ? ? ?? ? ? ? ?計(jì) 計(jì) 圓整為 3mm，即缸體外徑 56mm。對(duì)于桿長 L大于直徑 d的 15倍以上，按拉、壓強(qiáng)度計(jì)算： ? ?24Pd?????