【正文】 ）夾鉗式抓取機(jī)構(gòu)的定位誤差分析 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 11 （五）夾緊液壓缸主要尺寸的確定 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 13 三、送放機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 16 （一）概述 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 16 （二）液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 18 （三）機(jī)械手的腕部設(shè)計(jì) ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 21 （四）機(jī)械手的手臂和機(jī)身的設(shè)計(jì) ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 32 （五） 液壓系統(tǒng)元件的選擇 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 38 （六）液壓系 統(tǒng)回路的分析 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 39 四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 42 五、參考文獻(xiàn) ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 43 六、謝辭 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 44 七、附錄：科技論文翻譯 ┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 45 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 共 50 頁(yè) 一、方案設(shè)計(jì)及主要參數(shù)的確定 （一）方案設(shè)計(jì) 根據(jù)課題要求，機(jī)械手需要具備上料、翻轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)位等多種功能，并按該自動(dòng)線的統(tǒng)一生產(chǎn)節(jié)拍和生產(chǎn)綱領(lǐng)完成以上動(dòng)作，因此可采用以下多種設(shè)計(jì)方案。這種方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，自由度少，易于配線，但需要架空行走，油液站不能固定，這使設(shè)計(jì)復(fù)雜程度增加，運(yùn)動(dòng)質(zhì)量增大。這種方案可以集中設(shè)計(jì)液壓站，易于實(shí)現(xiàn)電氣、油路定點(diǎn)連接，但占地面積大，手臂懸伸量較大。這種案具有電液集中、占地面積小、可從地面抓取工件等優(yōu)點(diǎn)，但配線要求較高。這是一種球坐標(biāo)式機(jī)械手，具有立柱旋轉(zhuǎn) (⌒z )、手臂伸縮 (→x )、手臂俯仰 (⌒y )、腕部轉(zhuǎn)動(dòng) (⌒x )和腕部擺動(dòng) (⌒y )五個(gè)自由度。 工作行程由已知條件及方案分析確定： 最大工作半徑 1500mm； 手臂最大中心高 1000mm； 手臂水平中心高 700mm； 手臂伸縮行程 450mm； 手臂回轉(zhuǎn)范圍：φ =0～ 270○ ； 手腕回轉(zhuǎn)范圍：翻轉(zhuǎn)θ =0～ 180○ ； 腕部擺動(dòng)范圍：轉(zhuǎn)位α =0～ 90○ ； 手臂上下擺動(dòng)角度：β =0～ 60○ 。 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 共 50 頁(yè) 驅(qū)動(dòng)方式采用液壓驅(qū)動(dòng)的方式。在小流量時(shí)，只需高壓小流量供油，大流量低壓泵卸荷；在大流量時(shí)，兩泵同時(shí)供，這樣可以減少系統(tǒng)功率損失，防止油溫 升高。 采用行程控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制。夾緊裝置為常開(kāi)式，當(dāng)夾緊液壓缸通油時(shí)，推動(dòng)活塞帶動(dòng)杠桿機(jī)構(gòu)合攏將工件夾緊。 （二） 夾緊力（握力）的確定 當(dāng)用不同的手部機(jī)構(gòu)夾緊同一種工件時(shí)，由于各手部機(jī)構(gòu)的 增力倍數(shù)不同，所需拉緊油缸的驅(qū)動(dòng)力也不同。下圖（ 2）為兩鉗爪式手部機(jī)構(gòu)，由于驅(qū)動(dòng)力 P 使一對(duì)平行鉗口對(duì)被夾持的工件產(chǎn)生兩個(gè)作用力 N，當(dāng)忽略工件重量時(shí)（即相當(dāng)于夾緊一塊握力表），這兩個(gè)力大小相等，力N稱(chēng)為由驅(qū)動(dòng)力 P 產(chǎn)生的夾緊力。 當(dāng)量夾緊力的數(shù)值與具體的手部機(jī)構(gòu)方案無(wú)關(guān)。證明如下： （ 1）首先求驅(qū)動(dòng)力 P與夾緊力 N 的關(guān)系。當(dāng)鉗爪水平夾緊重為 G 的工件時(shí)，根據(jù)工件的平衡條件∑ F=0 可得 R1=R2+G 可以看出，上下鉗爪對(duì)工件的夾緊力并不相等，且隨驅(qū)動(dòng)力的增大而增大，但 R1和 R2的差值永遠(yuǎn)為工件之重量 G，如 R2=0， R1=G，驅(qū)動(dòng)力最小。 ?? 將 R1=G， R2=0 代入上式得 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 共 50 頁(yè) dydGbP ??39。P 所產(chǎn)生的夾緊力 39。將（ 210）式代入（ 29）式得 2212 39。 GddybdydGbddybpN ??? ??? （ 211） 從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)量夾緊力 39。不同的手部機(jī)構(gòu)的增力倍數(shù)特性dyd?不一樣，而當(dāng)量夾緊力與dyd?無(wú)關(guān)，只與工件的重量和它相對(duì)于鉗爪的放置方位無(wú)關(guān)。 將上述數(shù)值代入得 N= 2180 503 ???????? ?? 　　N 考慮到工件在傳送過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生慣性力、振動(dòng)以及受到傳力機(jī)構(gòu)效率等的影響，故而實(shí)際握力還應(yīng)按以下計(jì)算： 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè) 共 50 頁(yè) N 實(shí) ≥? 21KKN? 式中，η —— 手部的機(jī)械效率，一般η =～ ； k1—— 安全系數(shù)，一般取 k1=～ 2； k2—— 工作情況系數(shù)，主要考慮慣性力的影響，按下式估算： k2=1+α /g，其中，α為被抓取工件傳送過(guò)程中的最大加速 度， g 為重力加速度。如圖（ 4）所示為夾緊缸受力分析簡(jiǎn)圖，圖中 P 為驅(qū)動(dòng)力， N 實(shí) 為握力。圖示情況為分別夾持兩種不同直徑的工件時(shí)的情況。 圖（ 7） 工件的中心 C與手指的回轉(zhuǎn)中心 A之間的距離 x可由下式求得： ???? c oss i n2s i nc os2 22222 ?????????????????? RlRlllllx ABABBCABBCAB 將上式整理后得 ? ? ???? 2222 s i nc oss i ns i n 1 ABAB llRx ??? 或 ? ? ? ?? ? 1s i ns i n c oss i ns i n 2 222 ??? ?? ??? AB ABAB l lRl x 此式為雙曲線方程，其曲線如圖（ 8）所示。當(dāng)工件的半徑由 Rmax 變化到 Rmin 時(shí)， X 的最大變化量即為定位誤差 ? ，其值為 ?????? c o ss i nm i n2s i nm i nc o ss i nm a x2s i nm a x 2222 ??????????????????????????????? RlRlRlRl ABABABAB 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 共 50 頁(yè) 圖（ 8） 在設(shè)計(jì)手指時(shí)，只要給定手指的長(zhǎng)度 ABl ，選取合適的偏轉(zhuǎn)角β，即可根據(jù)工件的最大直徑 Rmax 和最小直徑 Rmin 確定定位誤差。另外，選擇最佳的偏轉(zhuǎn)角β，也可使定位誤差最小。 （五）夾緊液壓缸主要尺寸的確定 D 的計(jì)算 由單桿活塞式液壓缸的推力公式： 11 pAF? 式中， 1F —— 液壓缸的推力 (N)； 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè) 共 50 頁(yè) p—— 系統(tǒng)的工作壓力， p==； 1A —— 活塞的作用面積（ mm2） 1A = 24D? D—— 活塞直徑（ mm）。 將上述數(shù)值代入得 D= 763 ?? 查【 2】按 GB/T23481993 標(biāo)準(zhǔn)系列直徑圓整，取 D=32mm。 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 共 50 頁(yè) 液壓缸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度比，與系統(tǒng)工作壓力的關(guān)系如下表： 工作壓 力 p/MPa ≤ 10 ～ 20 ＞ 20 速度比φ ； 2 2 由于本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)工作壓力為 ，故選用 速度比φ為 。 對(duì)于低壓系統(tǒng)，液壓缸缸筒厚度一般按薄壁筒計(jì)算： ? ??? 2 Dpp? 式中， δ —— 液壓缸缸筒厚度（ mm）； p —— 試驗(yàn)壓力（ MPa） ，工作壓力 p≤ 16MPa 時(shí)， p =；工作壓力 p≥ 16MPa時(shí)， p =，由于本次設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)壓力為 ，故 p = =； D—— 液壓缸內(nèi)徑（ mm）； ??? —— 缸材料體的許用應(yīng)力 （ MPa）： ? ? nb?? ? b? —— 缸體材料的抗拉強(qiáng)度（ MPa）； n—— 安全系數(shù)， n=～ 5，一般取 n=5。 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 共 50 頁(yè) 將以知數(shù)據(jù)代入上式得 mm1602 ????? 因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，取 ? =10mm。 S 的確定 根據(jù)課題要求以及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)要求查【 2】按 GB/T23491980 標(biāo)準(zhǔn)系列確定液壓缸 活塞行程為 450mm。送放運(yùn)動(dòng)是機(jī)械手或機(jī)器人或機(jī)器人最主要的運(yùn)動(dòng)，包括手臂、手腕和行走裝置的運(yùn)動(dòng)，但不包括機(jī)械手或機(jī)器人手爪抓取物體的動(dòng)作。送放運(yùn)動(dòng)又可分為主運(yùn)動(dòng)和輔運(yùn)動(dòng)兩部分，手臂的運(yùn)動(dòng)為主運(yùn)動(dòng)，手腕的運(yùn)動(dòng)和整機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)為輔運(yùn)動(dòng)。 2. 送放范圍 機(jī)械手或機(jī)器人將被抓取的物體送放到某一位置，其所能達(dá)到的空間范圍稱(chēng)為機(jī)械手或機(jī)器人的送放范圍。點(diǎn)機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè) 共 50 頁(yè) 位送放、面位送放、體位送放均由主運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式、自由度及其組合來(lái)決定。 點(diǎn)位送放的送放位置 為確定的點(diǎn)，其主運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)自由度。 面位送放，其送放圖形為一確定的表面，由兩個(gè)參變量決定，故主運(yùn)動(dòng)需要兩個(gè)自由度。 體位送放，其送放圖形為一個(gè)確定的空間體，故主運(yùn)動(dòng)有三個(gè)自由度。 4. 送放運(yùn)動(dòng)的自由度 送放運(yùn)動(dòng)具有的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)目，即送放運(yùn)動(dòng)的自由度，亦即機(jī)械手或機(jī)器人的自由度。一般情況下，主運(yùn)動(dòng)有 1～ 3 個(gè)自由度：當(dāng)主運(yùn)動(dòng)有 1 個(gè)自由度時(shí)，送放圖形為點(diǎn)位送放；當(dāng)主運(yùn)動(dòng)有 2 個(gè)自由度時(shí)，送放圖形為面位送放；當(dāng)主運(yùn)動(dòng) 有 3 個(gè)自由度時(shí)，送放圖形為體位送放。此時(shí)，宜采用增設(shè)輔運(yùn)動(dòng)的方法來(lái)增加機(jī)械手的功能，如增加腕部的平移或整機(jī)的行走運(yùn)動(dòng)以擴(kuò)大送放范圍，或增設(shè)腕部的回轉(zhuǎn)和擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)以改變被送放物的方位。自由度越多，送放動(dòng)作也越多，則機(jī)械手越靈活，其送放范圍也越大，但機(jī)械手也越復(fù)雜。機(jī)械手液壓系統(tǒng)的工作原理圖如下圖（ 9）所示： 圖（ 9） 液壓系統(tǒng)的工作原理圖 （二）液壓系統(tǒng)主要參數(shù)的確定 R= Rt+Rf? Rm Rt=Rw? Rg 式中， R—— 液壓缸的工作載荷； Rw—— 液壓缸軸線方向上的外作用力； Rg—— 液壓缸軸 線方向上的重力； Rf—— 運(yùn)動(dòng)部件的摩擦力； Rm—— 運(yùn)動(dòng)部件的慣性力。 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè) 共 50 頁(yè) 當(dāng)液壓缸工作壓力確定之后，即可計(jì)算出液壓缸的推力。 液壓缸的工作流量為 q=Av 式中， v—— 液壓缸或活塞桿的速度； A—— 液壓缸的有 效工作面積?；蛘?，根據(jù)各缸的實(shí)際工作載荷 P，先求出活塞或液壓缸的有效工作面積 A，再確定各缸的直徑 D。 按上式計(jì)算后，還應(yīng)按 JB218377取規(guī)定系列的直徑值。 4）液壓缸外徑 D0及長(zhǎng)度 l 的確定 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 共 50 頁(yè) D0=D+2δ l≤（ 20～ 30） D0 缸體長(zhǎng)度 l根據(jù)上式由活塞行程來(lái)確定，并注意缸體的制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性。腕部實(shí)際所具有的自由度數(shù)目應(yīng)根據(jù)機(jī)器人的工作性能要求來(lái)確定。一些專(zhuān)業(yè)機(jī)械手 甚至沒(méi)有腕部，但有的腕部為了特殊要求還有橫向移動(dòng)自由度。回轉(zhuǎn)油缸和擺動(dòng)油缸的結(jié)構(gòu)圖分別如圖（ 10）和圖（ 11）所示： 機(jī)械 電子工程專(zhuān)業(yè) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 共 50 頁(yè) ecd 圖（ 10） 圖（ 11