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畢業(yè)設(shè)計（論文）
設(shè)計（論文）題目： 四自由度圓柱坐標型液壓機械手設(shè)計
學(xué) 院 名 稱： 機械工程學(xué)院
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
學(xué) 生 姓 名： 學(xué)號：
指 導(dǎo) 教 師：
年 12月 12日
摘要
機械化在工業(yè)這個領(lǐng)域里面被越來越廣泛的使用，所以重要性越來越高。它的發(fā)展也就在短短的最近這幾十年，發(fā)展形成的是生產(chǎn)設(shè)備高科技全自動化，可以不要人工去操作，完全機械根據(jù)程序來操作機器，它可以有多個動作，多個方向來運輸物品，這樣可以滿足在不同的環(huán)境連完成工作任務(wù)。
我們這篇論文設(shè)計的是四個自由度的機械手，它主要的組成部件是手指，手腕，手臂，機器主體等。機械手設(shè)計出來以后，要實現(xiàn)好多種的功能，要會抓取物料，抬起和放下手臂，選擇物品等，并且能夠按照人們事先設(shè)定好的路線來完成工作任務(wù)。設(shè)計出來的機械手，使用的是機器安置在固定機身上的方式，自己能夠?qū)⒕€路繞道機器的座上進行布置，它能實現(xiàn)機器手臂旋轉(zhuǎn)，手臂的上升和下降，手臂伸出和縮回，手腕可以自己轉(zhuǎn)動四個自由度；采用圓柱坐標型進行設(shè)計，驅(qū)動方式為液壓驅(qū)動。機器的驅(qū)動采用液壓，有很好的特點，主要是機器本身大小很小，發(fā)出來的力量大，動作起來比較平靜安穩(wěn)，而且伸出去的機械手能夠在物體的中間停住。我們論文中設(shè)計的機械手能夠滿足好多物料的工作任務(wù)。
關(guān)鍵詞：四自由度、機械手、圓柱坐標型、液壓
ABSTRACT
Mechanization is more widely used in industrial inside this area, so the importance of getting high. Its development also short in multiple directions in recent decades, the development of the formation of a fully automated production equipment, high-tech, you can not go to the operating manual completely mechanical operation of the machine according to the program, which can have multiple actions, to transport goods, so that even in a different environment to meet the job done.
We designed this paper are four degrees of freedom of the robot, its main components are a finger, wrist, arm, machine body and the like. After robot designed to achieve a good variety of functions, to be crawling materials, lift and lay down arms, and other select items, and can be set in advance in accordance with good line of people to complete tasks. Designed the robot, using a machine body disposed in fixed manner, they can bypass the line machine seat are arranged, it can achieve robotic arm rotation, rising and falling of the arm, the arms extend and retract, wrist can turn your own four degrees of freedom; the use of cylindrical coordinates type design, drive for hydraulic drive. Hydraulic drive machine, good features, mainly the size of the machine itself is very small, the big issue to force the action up relatively calm secure, and extend to the robot can be stopped in the middle of the object. Our paper robot designed to meet a lot of task materials.
Keywords: four degrees of freedom manipulator, cylindrical coordinates type, hydraulic
I
目 錄
摘要 I
ABSTRACT II
一 緒論 3
1 機械手的基本概念 3
2 機械手的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 3
2.1 機械手的研究現(xiàn)狀 3
2.2 機械手的發(fā)展趨勢 4
3 機械手的應(yīng)用 5
4 機械手研究的意義 6
5 課題研究的任務(wù) 6
二 機械手的設(shè)計 7
1 機械手的總體結(jié)構(gòu) 7
1.1機械手的總體結(jié)構(gòu)分析 7
1.2機械手的總體設(shè)計方案 8
2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計 9
2.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點 9
2.2 驅(qū)動設(shè)計方案 10
3 機械手臂的設(shè)計方案 11
3.1 機械手的技術(shù)參數(shù) 11
3.2 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案 11
4 機械手臂伸出去縮回來和抬起放下的動力液壓缸的設(shè)計 14
4.1 液壓缸驅(qū)動力計算 14
4.2 尺寸計算和校核 15
5 手腕的驅(qū)動計算 20
5.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩 20
5.2 計算來回旋轉(zhuǎn)液壓缸的計算還有核對 22
三 結(jié)論 26
四 致謝 27
參考文獻 28
一 緒論
1 機械手的基本概念
其實來說，機械手也就是我們經(jīng)常所說的機器人，機器人在最近這些年發(fā)展的很快，也是一門比較新的研究領(lǐng)域。機器人的研究涉及到了很多的方面，有機械方面，電子方面還有計算機等方面的，很廣的研究領(lǐng)域，研究出來的機器人實現(xiàn)了光機電一體化，它不僅是現(xiàn)在科學(xué)家們研究的最多的學(xué)科，也是國際上體現(xiàn)自己國家科技是否高端的重要標志。。
“機械手”（Machanical Hand）：主要就是說一個主機控制，一個所謂的手對物體抓起或者放下，或者其他的一些操作。比方說，在工作自動化的生產(chǎn)線上，自己將物料放上去，將物料從生產(chǎn)線上取下來等等這樣的自動化工作。
2 機械手的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
機器手發(fā)展的很快，現(xiàn)在越來越多的人們了解認識它在實際工作中的作用，主要表現(xiàn)在以下幾個方面；第一、它可以自動化操作，在有的程序上面可以省去人工操作，節(jié)省人工；第二、它不僅能夠完成工作任務(wù)，主要還能夠按照人們設(shè)定的程序去完成對物體的運輸，裝起或者卸下物體；第三、可以完成一些人工不能完成，或者比較危險的工作。這樣就可以保證工人的人生安全，提高了工作效率。因為這些比較明顯的一些特點，我們國家正在大力的進行機器手的研究和發(fā)展。特別是在比較危險的一些工作地點，比如高污染的環(huán)境，高灰塵，高噪音等的環(huán)境，對機器手工作的需求就很大。最近這么一些年，機器手發(fā)展很迅速，也取得了一定的顯著成果。
2.1 機械手的研究現(xiàn)狀
原來的機械手是比較針對性的，在特定的環(huán)境下有特定的機械手，現(xiàn)在經(jīng)過一段時間的研究和發(fā)展，現(xiàn)在的機械手已經(jīng)變得運用性很廣泛，而不是針對特定的一個環(huán)境或者任務(wù)，現(xiàn)在都是以這種通用性的機械手為主了。使用這種通用性的機械手，可以再很多不同的工作地點，不同的工作要求來實現(xiàn)動作，這樣的話很好的節(jié)約了使用成本，提高了工作效率。研究生產(chǎn)出這種通用性的機械手，需要到多個領(lǐng)域的知識，有機械，液壓，電子，通訊，計算機，仿生等等，國外的發(fā)達國家研究的比較早，比我們的國家先進，但是我們國家現(xiàn)在已經(jīng)明白了機械手在實際工作中的重要性，所以現(xiàn)在國家在這個領(lǐng)域已經(jīng)加大了研究和開發(fā)，不僅在資金上進行支持，而且在學(xué)術(shù)交流上也舉辦了很多活動來促進他們的交流，這樣可以使得對機械手進行研究的單位，互相交流彼此的研究成果。
2.2 機械手的發(fā)展趨勢
1、我們要研究更多以液壓為動力的操作方向的更多的機械手，這樣的話，機械手就可以更加像人的手一樣更加的靈活，這樣的話就能完成更加多的操作動作。
2、現(xiàn)在的機械手都是固定在一個工作地點，我們要研究機械手主體可以移動，這樣可以使用的工作地點更多，可以在不同的地點進行工作。
3、任何機器發(fā)明使用時一個方面，維修方面我們也要注意，將來維修起來也要方便，不能復(fù)雜。
4、我們再研究的機械手要可以自己進行編程，或者在面對不同的工作環(huán)境，也能自己改變程序。
5、研究出來跟真人比較類似的機器手，它可以和人類的手類似，可以感受所觸摸到的物體。在機器手上面安裝傳感裝置，這樣可以模仿人手對物體的感覺，用主機來模仿人的大腦，這樣可以在摸到物體的時候，自己進行思考，并且進行動作。用輪子安裝在機器上，模仿人的雙腿，可以到處移動，這樣的話可以制造出智能化的機器人，用這樣的機器人進行生產(chǎn)制造，這樣的生產(chǎn)線就被叫做智能生產(chǎn)線。
6、我們制造出來的機器手不能只滿足功能，外觀也要好看，這樣才有人來購買，要用最簡便的設(shè)計來實現(xiàn)盡可能多的動作。
7、柔軟度比較好的通用性的機器手
現(xiàn)在，在國外的發(fā)達國家，主要用的機械手，在實現(xiàn)動作之前提前將我們需要它工作的程序輸入到主機里面去，這樣，機器手就按照我們的指令進行工作，這樣的機器手，我們稱為第二代的通用式機器手，我們現(xiàn)在研發(fā)的機器手是第三代機器手，智能化的機械手，它主要能實現(xiàn)的是自主輸入程序，在遇到情況的時候，自己能夠改變程序，從而能夠完成工作任務(wù)，實現(xiàn)更多的工作角度。現(xiàn)在我們國家的科研單位和企業(yè)單位，都在朝著這個方向在努力，相信在一定的時間以后，我們一定能夠在這個智能化機械手的研發(fā)路上有突破，我們國家在這個領(lǐng)域一定能夠趕上發(fā)達國家，甚至能夠超過發(fā)達國家處在領(lǐng)先地位。
3 機械手的應(yīng)用
機械手的種類有三種。第一種完全是自動化的通用性機器手。這種機械手它不需要主機，可以自己來編制程序，完成所需要的工作任務(wù)。它的優(yōu)點是不僅有普通機械手操作性的功能，按照預(yù)定的程序完成工作，另外還可以模仿人類在遇到情況外自動處理。第二種的機械手是需要人來操作的，叫做操作型機械手。原來主要在軍事領(lǐng)域使用，最開始的時候被操作機械手是用來完成一個或者兩個特定的動作，再后來發(fā)展到用無線的信號來控制機械手，使用的領(lǐng)域也比較有限，在高端科技領(lǐng)域使用，比方說月球探測等。第三種機械手是專門在某個機床或者生產(chǎn)線上使用的，可以叫做專用型機械手，它的主要任務(wù)就是在機床上把要加工的物料拿上機床，搬下機床，將加工好的物料傳遞到另一道工序上去。這種機械手被主機控制住，所有的程序都是固定的，沒有變化的，因此只能在固定的場景，固定的工作程序下來使用?，F(xiàn)在國際上主要研究發(fā)展第一種機械手，也就是通用性機械手。
最早研究機械手的國家是美國。上個世紀八五年，美國研究出了第一個機械手。到了一九六二年，又在第一臺機械手的基礎(chǔ)上研究了由數(shù)控控制的機械手。此款機械手驅(qū)動采用的是液壓驅(qū)動，可以實現(xiàn)多個動作，現(xiàn)在很多球坐標式通用型機械手就是以這個機器原理為基礎(chǔ)，再研究發(fā)展起來的。
日本是現(xiàn)在對機械手研究的發(fā)展最快，使用最廣泛的國家。自從上個世紀從美國引進機械手以后，日本就開始加大力量對機械手這項技術(shù)開始研究。不管是學(xué)校還是研究機構(gòu)，不管是企業(yè)投入還是國家的投入，整個國家對機械手的熱情都達到了空前的熱度。到上世紀的七九年，對機械手的生產(chǎn)上就已經(jīng)達到了世界的首位。在他們國家使用機械手最多的行業(yè)還是汽車生產(chǎn)業(yè)，電機生產(chǎn)單位，電器生產(chǎn)企業(yè)。
現(xiàn)在目前使用的機械手還是第一代的機械手，就是需要人來控制才能使用的機械手，但是這種機械手隨便誰都可以來操作，沒有辦法來識別究竟誰來操作。對這種機械手，我們要首先提高它對于操作人的識別能力，降低產(chǎn)品的成本，提高它的精確度。
4 機械手研究的意義
在現(xiàn)代的科學(xué)發(fā)展的大背景下，機械手在實際中的運用越來越多，機械工業(yè)中，建筑上，國防上都有廣泛的運用。
機械手的意義我們可以概括到以下幾個方面：
1、使機械手的自動化程序大大的提升。
在實際應(yīng)用中機械手可以更好地在全自動的生產(chǎn)線中運送材料、裝或者下工件、換一下刀具、還有機器的裝配等的自動化，這樣就能提高生產(chǎn)的效率，相對的來說生產(chǎn)的成本就被降低了。
2、可以改善勞動條件，避免人身事故。
在溫度高、壓力大、溫度低、壓力小、噪雜聲、臭味、有幅射的東西的環(huán)境的地方，使用人得手直接使用是很危險的甚至是不可能的。從而使用機械手小部分或者全部幫人完成工作，使的人們勞動的雙手的到解放。
3、可以減少人力，并便于有節(jié)奏的生產(chǎn)。
使用機械手幫人的雙手去工作，這是可以直接減少人力的一個方面，同時使用機械手可以不斷的工作，這是減少人力的勞動的另一方面。因此，在全自動化機床和綜合的加工自動線上，都有機械手，所以以減少人的勞動力和好好的控制生產(chǎn)的節(jié)奏，便于有順序的生產(chǎn)。
4、用液壓的系統(tǒng)來控制機械手，比其他的機械控制有很好的穩(wěn)定性，并且控制的精度更高。
5、使用機械手可以實現(xiàn)不停的生產(chǎn)，而大大滿足了生產(chǎn)線上所需要的工作的時間，這樣可以很好的提高勞動的生產(chǎn)效率。
5 課題研究的任務(wù)
我們要研發(fā)生產(chǎn)一種能有四個自由度的機械手，這個機械手的驅(qū)動是液壓驅(qū)動。主要技術(shù)參數(shù)如下：
1、工件：棒料，該物體的重量達到20斤，長度的上限是350mm,直徑的長度在60－100mm；
2、工作區(qū)域：取物高度不小于1000mm，伸縮行程600mm；垂直移動400mm；
3、工作速度：移動速度2m/s，定位精度±0.5mm。
二 機械手的設(shè)計
1 機械手的總體結(jié)構(gòu)
1.1機械手的總體結(jié)構(gòu)分析
本文設(shè)計的四自由度圓柱坐標型液壓機械手，由執(zhí)行機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)組成。
1、執(zhí)行機構(gòu)
(1)手部
機械手抓物料的地方，我們采用的是結(jié)構(gòu)比較簡單的回轉(zhuǎn)型。一般機械手上只有兩根手指，根據(jù)實際操作的需要分為外抓和內(nèi)抓兩種。而機械手上面?zhèn)髁Φ姆绞接卸喾N，比方說滑槽杠桿式、連桿杠桿式、斜槭杠桿式、齒輪齒條式、絲杠螺母式、彈簧式和重力式。
本次設(shè)計采用液壓傳動的方式執(zhí)行相應(yīng)的動作。
(2)腕部
這個部分的主要作用是手和手臂的連接，并且可以旋轉(zhuǎn)手的方向，使機械手動作的范圍更廣，變得靈活。手腕的運動方向主要有回轉(zhuǎn)，上下和左右?guī)讉€。基本上這幾個運動方向就可以滿足當下企業(yè)的工作需要了，甚至有的生產(chǎn)線上的機械手都沒有這個腕部，直接就拿和放這些簡單的動作。
照現(xiàn)在的情況看，使用最多的就是有手腕的機械手，驅(qū)動采用的是液壓驅(qū)動，這種機械手的好處是結(jié)構(gòu)比較簡單，活動的角度又比較多，但是也有缺點，主要就是回轉(zhuǎn)的角度比較小，而且對密封性的要求很高，如果達不到的話，機械手的穩(wěn)定性就會很差。
所以說，如果工作要求回轉(zhuǎn)角大的話，我們就要采用這一種了。
(3) 手臂
手臂是機械手的支撐部分，它主要的作用就是支撐住手和手腕，提高穩(wěn)定性，擺動然后帶著這兩個部件進行運動。
手臂運動的主要方向就是，將手抓取的物料，通過手臂的伸出去縮回來的運動，左右搖擺的運動，手臂抬起和放下的運動，將物料送到合理的位置，完成工作任務(wù)。
(4) 導(dǎo)柱
整個機械手就是導(dǎo)柱在對它就行支撐。本篇論文中我們所設(shè)計的導(dǎo)柱，要能夠?qū)崿F(xiàn)手臂旋轉(zhuǎn)，還有手臂升起和降下。
2、驅(qū)動機構(gòu)
機械手想要動起來，想要進行工作，還要驅(qū)動部分。按照提供給機械手動力的來源不同，我們大體上可以將驅(qū)動分為液壓驅(qū)動，氣動驅(qū)動，電動驅(qū)動還有機械驅(qū)動。這四種驅(qū)動，其中液壓驅(qū)動采用的比較多，主要是因為機械手的設(shè)計比較簡單，而且輕便，好使用。
所以在我們這篇論文中，機械手也是選用的液壓驅(qū)動。
1.2機械手的總體設(shè)計方案
我們論文中的機械手，是圓柱坐標式機械手，這種機械手是所有機械手中被運用的最多的一種，主要可以用在搬運工作和測量的工作。這種機械手外形比較好看，結(jié)構(gòu)上簡單，方便，而且使用起來很方便，好控制。
我們論文中的機械手主要是三個自由度組成X、Z、φ。它的工作范圍可分為：旋轉(zhuǎn)運動和直線運動。結(jié)構(gòu)簡圖見表2.1
圖2.1 圓柱坐標機械手結(jié)構(gòu)簡圖
圓柱坐標式機械手實現(xiàn)的四個基本動作：
1、手臂伸縮動作；
2、手臂上下運動；
3、手腕回轉(zhuǎn)動作；
4、手臂升降動作。
本論文中的機械手是在垂直的導(dǎo)柱上做的回轉(zhuǎn)動作，手臂抬上抬下的運動，伸出去縮回來的運動，手腕是做的旋轉(zhuǎn)運動。國外的那么多種的機械手，我們所研究的這種機械手占到一半以上，其中有只有六種機械手有六個自由度。我們論文中設(shè)計的機械手就和這種比較一樣。
2 驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計
2.1常用驅(qū)動系統(tǒng)及其特點
一般機械手運動驅(qū)動主要有三種，液壓驅(qū)動，氣動驅(qū)動，電機驅(qū)動。各種驅(qū)動方式的特點見表2.1：
表2.1 常用的驅(qū)動方式
內(nèi)容
驅(qū)動方式
液壓驅(qū)動
氣動驅(qū)動
電機驅(qū)動
輸出功率
很大
大
較大
控制機械手
控制的精度比較靈敏，功率大，可以連續(xù)的進行控制。
控制的精度比較低，效果差，不能實現(xiàn)連續(xù)的控制。
控制機械手的精度好，還能準確的對物體定位，使用方便，但是操作比較的繁瑣。
響應(yīng)速度
很高
較高
很高
驅(qū)動的結(jié)構(gòu)
制造的結(jié)構(gòu)比較合理，使用的起來按照一定的模式，比較好操作，可以直接驅(qū)動
制造的結(jié)構(gòu)比較合理，使用的起來按照一定的模式，比較好操作，可以直接驅(qū)動
電機的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，噪音不高，但是電動機正常都要配有減速的裝置。
安全性
能很好的防爆，但是液壓驅(qū)動容易產(chǎn)生大火的危險
能很好的防爆，但是當氣壓大于1000KPA的時候，要注意機器的壓力
不能很好的防爆，但是卻沒有火災(zāi)或者自身不會爆炸差
環(huán)保
容易有油污泄漏，不符合環(huán)保要求
有噪音產(chǎn)生
沒有
售后維修
更換的部件價格高
更換的零件價格不高
更換的零部件價格高
2.2 驅(qū)動設(shè)計方案
按照前面說的，機械手啟動起來有三種動力途徑，我們比較一下液壓驅(qū)動，氣壓驅(qū)動還有電力驅(qū)動的，這里主要說一下液壓驅(qū)動比其他兩種方式的好的地方:
1、在組裝機械手的時候，隨意性比較大，不受太大的控制，可以組裝起來一些比較復(fù)雜的系統(tǒng)。
2、工作起來比較穩(wěn)定，而且啟動起來快，工作的時候比較靈活，在自由度的轉(zhuǎn)換上也不費勁。
3、人們使用起來方便，還可以有自我過載保護的功能，不僅這些，而且還比較方便的能夠自動控制，或者距離比較遠的情況下被人控制。
4、這種液壓驅(qū)動的機械手，前期在制造的時候所采用的零部件相對于氣壓驅(qū)動的零部件，通用性比較好，一般的地方都能夠買的到的材料，所以也就造成了制造起來簡便，材料選購上不用太過費勁，而且材料價格不高。
因此本文中各部分的驅(qū)動方案如下：
1、手部 采用液壓傳動的方式執(zhí)行相應(yīng)的動作。
2、手腕 選取的油缸是可以來回回轉(zhuǎn)的，結(jié)構(gòu)上頭一定要卡的很緊，而且不能有空氣跑進去。
3、手臂 采用液壓缸完成相應(yīng)的動作。
3 機械手臂的設(shè)計方案
3.1 機械手的技術(shù)參數(shù)
機械手的技術(shù)參數(shù)：工件：機械手材料，體重要有20斤，它的整個長不能超過 350mm,活動區(qū)域在60－100mm。工作區(qū)域：拿取物體的時候最高要到1000mm，手臂伸出去再縮回來距離600mm；垂直移動400mm；工作速度：移動速度2m/s，定位精度±0.5mm。
3.2 機械手的手臂結(jié)構(gòu)方案
從上面的設(shè)計和分析，我們可以知道手臂需要完成伸縮、升降和回轉(zhuǎn)3個動作，即實現(xiàn)3個自由度。按照上面的我們選用下圖的手的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2：
1-夾持器 2-齒條活塞桿 3-小齒輪 4-銷 5-套筒 6-銷軸 7-壓力彈簧 8-法蘭
圖2.2 齒輪齒條式手部結(jié)構(gòu)圖
1、手部夾緊油缸的設(shè)計
（1）手部驅(qū)動力計算
我們論文中設(shè)計的機械手，它的手的部分驅(qū)動是液壓驅(qū)動，按照機械手手指頭抓住物料的地方，我們來計算抓緊力：
式中：-為夾持工件的握力，；
-為工件重量，N，要求抓取重量為（）；
-為手指夾角的1/2角度,V形手指的角度；
—為摩擦系數(shù) 取
代入式中
（2）按照上面我們的手的結(jié)構(gòu)的圖，我們曉得液壓驅(qū)動計算公式:
式中：—為理論驅(qū)動力，
—就是抓住的物料的中心點到銷軸的中心的這個距離，
—銷軸到小齒輪的中心距
代入式中
（3）實際驅(qū)動力：
式中—為實際驅(qū)動力,
—就是加工零件的工作效率，主要的原因就是我們的傳動時齒輪傳動的，故取
—為安全系數(shù) 通常取1.2~2 這里取
—就是工作情況系數(shù) 如果說我們抓工件的時候它最大的加速度取時，則:
所以
機械手抓住我們需要抓住的物料的時候液壓缸所產(chǎn)生的驅(qū)動力就是。
2、機械手的手指抓緊工件的時候，彈簧在這個時候肯定會變形，那么變形后產(chǎn)生的這個力為
式中 —為彈簧變形所產(chǎn)生的彈力
—就是機械手的手指頭抓緊工件時候，手之里面的彈簧肯定會變形，這個變形的量，，
—彈簧材料的切變模量
—手指頭松開工件以后回復(fù)原狀，彈簧絲跳回原來的位置直徑
—為彈簧的旋繞比
—為彈簧的有效圈數(shù)；
3、夾緊缸的工作壓力
機械手夾緊物料的時候，夾緊缸上的夾緊活塞工作，它在此時產(chǎn)生的壓力P：
式中 —就是機械手抓緊物體時候，夾緊活塞工作所產(chǎn)生的壓力,
—為實際驅(qū)動力,N
—為彈簧變形所產(chǎn)生的彈簧力,N
—就是封閉起來的地方所產(chǎn)生的壓力，密封啊好了的產(chǎn)生的摩擦力相對工作起來的摩擦力（）要稍微小一些，故取，取
計算得
因作用在活塞上的合成液壓力即驅(qū)動力與機械載荷p相平衡，故夾緊缸的工作壓力p為：
式中D—為夾緊缸直徑，從結(jié)構(gòu)設(shè)計得知
所以
4 機械手臂伸出去縮回來和抬起放下的動力液壓缸的設(shè)計
4.1 液壓缸驅(qū)動力計算
我們?nèi)∮透椎拈L,里面的直徑為,直徑的一半 ,工作起來的速度為，工作以后加速的時間，液壓缸有油進去所產(chǎn)生的壓力。
有油進到油缸里頭以后，活塞上下浮動的速度但是運動起來后油流進去油缸的這個流量為：
式中：—油缸（或活塞）直徑，
—輸入無桿腔的流量，
—活塞的移動速度，
流量為：
油缸的無桿腔內(nèi)壓力油液作用在活塞上的合成液壓力即油缸的驅(qū)動力為：
—油進去油缸的時候產(chǎn)生的壓力，— 油缸氣動的時候，
有油進到油缸里頭以后，活塞上下浮動的速度但是運動起來后油流進去油缸的這個流量為：
式中：— 活塞桿直徑（mm）
— 輸入無桿腔的流量，
— 活塞的移動速度，，
則流量為：
就是液壓驅(qū)動啟動以后這個液壓缸所產(chǎn)生的動力：
4.2 尺寸計算和校核
1、手臂伸縮油缸的設(shè)計與校核
我們這里設(shè)計的液壓缸，其需要的動力右液壓缸提供，而后帶動手臂進行伸和縮的動作要求。我們在進行該液壓缸設(shè)計的時候要將液壓缸在工作的過程中遇到的所用的阻力全部計算在內(nèi)，也只有這樣才能夠保證設(shè)計的液壓缸工作正常，運轉(zhuǎn)起來平穩(wěn)。
根據(jù)任務(wù)書上面的要求，我們驅(qū)動該油缸的有效形成為600毫米，確定設(shè)計油缸的內(nèi)部直徑等于40mm，這里設(shè)計的內(nèi)部直徑，下面還要對它進行分析和印證。
（1）計算作用在活塞上的總機械載荷
為更好地分析油缸的受力，也為了更好地計算力。我們繪制出圖2.3缸的受力圖。作用在活塞上的總機械載荷P為：
圖2.3 缸的受力圖
1） 在進行P的設(shè)計的時候，我們要根據(jù)缸在實際動作過程中進行計算。經(jīng)過分析之后才能夠確定該數(shù)字是正、是負還是沒有。經(jīng)過我的分析可以曉得等于0。
2） P導(dǎo)形狀的確定主要依據(jù)的是計算數(shù)值的大小，而這里的計算我們將采用初步估算的辦法進行。
裝置是對稱的并且在該油缸的兩邊。
依據(jù)上面的受力分析，我們可以曉得在引導(dǎo)油缸進退的裝置的地方數(shù)值是最大的，我們對其進行下方計算：
上面已經(jīng)講到了導(dǎo)向桿的數(shù)量是2個，分布在180°的位置上面。也就是說我們只要計算出其中一個數(shù)據(jù)就可以了，依據(jù)公式：
式中；
— 導(dǎo)向支承的長度，
— 根據(jù)相關(guān)手冊取
— 我們曉得在正常的圓柱上面 ，取
則
3）密封裝置處的摩擦阻力
根據(jù)分析我們曉得，在液壓缸工作和運作的過程中，是多個數(shù)值的綜合。即 。
在我們設(shè)計的液壓缸，伸長桿一般是液壓缸內(nèi)部直徑的0.5倍，密封的形式采用O型。
綜上所述我們知道
伸縮油管處的摩擦阻力為： 式中—密封圈與配合面的摩擦系數(shù)，主要與密封圈形式、材料與配合接觸的零件材料和油液壓力有關(guān)。
對于O型橡膠密封圈，當油液壓力時，。油液壓力高時取小值，壓力低時取大值，在本次設(shè)計中取。
—密封處的工作壓力，
—伸縮油管直徑，
—密封的有效長度
查閱相關(guān)設(shè)計資料我們得到估算 式中： 一般為，在這里取 是直徑。
則
4）慣性力
在設(shè)計的臂膀在工作的初期，其桿的受力是平均的，即
這里面—上面已經(jīng)解釋，（包括被抓物件重量）；；，
—啟動過程的時間
則
5）背壓阻力
油缸低壓油液所造成的阻力。正常情況下計算。
由于，故。
所以
因為，故該油缸的尺寸符合使用要求。
6）導(dǎo)向裝置
主要的作用是引導(dǎo)設(shè)計的液壓缸按照預(yù)想的軌跡進行相應(yīng)的伸長或者縮回或者上升或者下降的工。在分析了本人設(shè)計的機械手，權(quán)衡零件的造價以后，我們這里將選用在圓周方向上呈180°對稱分布的導(dǎo)向缸來進行引導(dǎo)，這樣做的好處是保證機械手正常運作的同時，還提高了工作過程中的穩(wěn)定劑。
2、手臂升降油缸的設(shè)計與校核
根據(jù)指導(dǎo)老師提供的任務(wù)書上面的數(shù)據(jù)，我們可以曉得升降的有效行程是,液壓缸工作時候的速度是，還能夠曉得,液壓缸內(nèi)部的直徑,也就是,工作口進入時候，在垂直工作的時候。
驅(qū)動力為：
由經(jīng)驗公式可得：
故
作用在活塞上的推力：
因為，所以伸縮油缸的尺寸符合要求。
3、手臂回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計與校核
為了更好地進行設(shè)計、分析和在設(shè)計，我們繪制出圖2.4運動圖。
圖2.4 運動圖
初步設(shè)計液壓缸內(nèi)部的直徑，也就是,回轉(zhuǎn)桿，也就是,油缸運行角速度，加速度時間，進油壓力
依據(jù)公式
還要包含缸體在回轉(zhuǎn)的過程中和相關(guān)部件摩擦產(chǎn)生的相關(guān)的阻礙的力矩的數(shù)值。我們再次查看相關(guān)設(shè)計手冊得出：
其中
上面的公式計算的結(jié)果是以厘米進行計算的，上面的工作講到的b1是密封裝置和缸體組合而成以后的有效的數(shù)值寬度。
由設(shè)計估算：
—在慣性力的作用下產(chǎn)生的力矩，依據(jù)相關(guān)的設(shè)計手冊我們可以得到，他的計算公式
式中—回傳的缸在工作的時候產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動的角速度，其。
—起動過程的時間，
—運動部件在工作，這里講到的工作主要就是圓周轉(zhuǎn)動，當然了也包含工件本身的圓周轉(zhuǎn)動的時候所擁有的轉(zhuǎn)動的慣性的數(shù)值，其單位是。
經(jīng)過和同學(xué)、老師以及自己的分析以后我要曉得了，的計算是一個相當不容易的過程，為什么呢?因為涉及到的工件其外部的現(xiàn)在是千千萬萬的，不同的外部形狀，不同的重力產(chǎn)生的數(shù)值，那么他的計算的方法和計算的大小也就不一樣了。這里我們?yōu)榱诉M行簡單的計算，尋求通用的計算方法。我們將復(fù)雜的零件您可能的規(guī)劃成相對而言比較簡單的零件，然后對分割以后的零件進行一一的計算，最終將這些計算的數(shù)值全部加起來，就得到了我們需要計算的數(shù)值，這樣問題也就得到了解答了。
，，
手臂回轉(zhuǎn)力矩
得出結(jié)論
依據(jù)上面的設(shè)計，我們可以清晰的看到計算的數(shù)值比允許的數(shù)值要小。也就是將我們的設(shè)計是合理。
5 手腕的驅(qū)動計算
5.1 手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩
根據(jù)我們預(yù)先設(shè)計好的4個自由度里面，其中有一個自由度將的就是手臂腕部的轉(zhuǎn)動動作。根據(jù)了理論我們曉得我們設(shè)計的工作力矩一定要大于因為阻礙產(chǎn)生的阻礙的力矩數(shù)值。為了更好的設(shè)計和分析手臂腕部。我們繪制出手臂腕部的受力圖2.5。
1、工件 2、手部 3、手腕
圖2.5 受力圖
通過上面的詳細的分析，我們曉得手臂腕部力矩的數(shù)值的計算可以通過下面的計算來進行：
依據(jù)上面的計算公式，我們將對上面的4個組成部分進行一一的計算和校核，下面數(shù)值的計算主要依據(jù)上面的一個受力圖2.5。
1、機械手的腕部提高速度的時候所產(chǎn)生的力
假如機械手的腕部開始工作提高速度運動，那么 式子里面- 在機械手的腕部轉(zhuǎn)動的時候產(chǎn)生的慣性，；-在機械手的腕部轉(zhuǎn)動的時候產(chǎn)生的慣性，；—機械手的腕部轉(zhuǎn)起來的時候所產(chǎn)生的速度，還有弧度；—機械手啟動起來所耗費的時間，
假如被抓取物料的中心與轉(zhuǎn)動起來的中心線不重疊，那么它轉(zhuǎn)動起來的慣性所產(chǎn)生的力量為
式中-被抓取的物件轉(zhuǎn)過重心點所產(chǎn)生的慣性的力量，；-工件的重量；-工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距,；-手腕轉(zhuǎn)動時的角速度，弧度/s；-起動過程所需的時間，；—起動過程所轉(zhuǎn)過的角度，弧度；2、機械手的腕部轉(zhuǎn)動和被抓取的物料的重量導(dǎo)致機械手產(chǎn)生了偏重力M偏
，在公式里面-機械手的手腕在拿著工件轉(zhuǎn)動的時候它的重量，；-機械手拿著東西轉(zhuǎn)動的時候整體重量的重心到轉(zhuǎn)動的時候產(chǎn)生的軸線的重心的距離，叫偏心距離；機械手在拿著物料的時候整體的重心跟機械手手腕轉(zhuǎn)動的時候產(chǎn)生的軸線相符合的時候，那么。
3、機械手的手腕在轉(zhuǎn)動的時候產(chǎn)生的摩擦力和阻力
， 里面 ，- 旋轉(zhuǎn)起來的軸它喉嚨部分的直徑，；-摩擦所產(chǎn)生的系數(shù)，滾動起來的軸，滑動起來的軸；,-處支撐起來的反力，N，可以遵循機械手的腕部轉(zhuǎn)動起來產(chǎn)生的力量來剖析，
根據(jù),得
同理，根據(jù),得
式中-手部的重量
-如圖2.5所示的長度尺寸，
5.2 計算來回旋轉(zhuǎn)液壓缸的計算還有核對
就像圖里面2.6所展示的，機械手的腕部環(huán)繞著X軸來運動，我們叫做來回旋轉(zhuǎn)運動，環(huán)繞著Y軸的運動，我們叫做上下運動，圍繞著Z軸的運動，我們又叫做左右運動，還可以順著Y軸的路線來進行橫向的運動。所以所，機械手的手腕最多的時候能有四個單獨不重復(fù)的運動。
圖2.6 手腕運動示意圖
機械手的手腕它能工作的方向的選擇和機械手的使用的普遍性，加工的時候工藝的要求，加工時候物料怎么擺放，怎么定位等好多的原因有關(guān)系。因為我們呢設(shè)計的機械手拿取的物料是水平擺在臺面上的，與此同時我們還要考慮使用的普遍性，所以說設(shè)計的機械手手腕需要設(shè)計一個圍繞著X軸旋轉(zhuǎn)的運動才行，在這里我們選擇回轉(zhuǎn)油缸，因為它在實際操作里面被用的最多，為什么大部分人都采用這種呢，主要因為它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)很緊湊，而且密封也很好。
我們所設(shè)計的油缸它的內(nèi)部直徑是,直徑的一半是,旋轉(zhuǎn)軸承的直徑,旋轉(zhuǎn)軸承直徑的一半是,液壓驅(qū)動的時候里面油缸轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的角度是，加起速度以后產(chǎn)生的時間，油缸工作起來后所產(chǎn)生的壓力，動片寬度為。
力矩
1、測量一下確定了手腕部分的重量,這些重量在機械手上的分布，每個部件均勻的分布在 的底座上，這樣的話轉(zhuǎn)動起來以后產(chǎn)生的慣性的力量：
機械手所拿取的物料的重量為20g,這么大的重量均勻的布局在長度為的機械手上，這樣的話轉(zhuǎn)動起來以后產(chǎn)生的慣性的力量為
如果說拿取的物料的中心點和轉(zhuǎn)動起來形成的線不復(fù)合的話，那么對于長度為350mm的手臂來說，產(chǎn)生的偏差的距離就175mm，那么它轉(zhuǎn)動起來產(chǎn)生的慣性的力量計算：：
則：
2、機械手的腕部轉(zhuǎn)動起來和拿著物料轉(zhuǎn)動起來形成的中心點，兩個中心點肯定會有偏差，這么偏差膠制作M偏，我們假象機械手手腕轉(zhuǎn)動起來的重心和轉(zhuǎn)動起來的軸線相復(fù)合，，機械手的手腕拿著一個物料的時候重心就會發(fā)生偏離原來的轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的軸線,
則 里面—機械手手腕來回轉(zhuǎn)動的地方的重量；—機械手抓取的物料的重量
3、手腕轉(zhuǎn)動軸在軸頸處的摩擦阻力矩為
由于是液壓傳動，潤滑比較好，根據(jù)經(jīng)驗得知摩擦力矩很小，故忽略不計。
4、回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩
式中—為回轉(zhuǎn)缸的動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，；—為輸出軸與缸蓋密封裝置處的摩擦阻力矩，
式中—輸出軸與缸蓋密封處直徑，—密封的有效長度,
—“O”形密封圈的截面直徑；
—“O”形圈在裝配時的壓縮率，對于回轉(zhuǎn)運動，,取
—摩擦系數(shù)，
—回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力,
則
—為動片側(cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩，；—動片外徑與油缸密封裝置處的摩擦阻力矩，；—動片側(cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力矩
其中
—回轉(zhuǎn)油缸直徑；—回轉(zhuǎn)油缸與動片連接處直徑
由設(shè)計得
則
動片外徑與油缸密封裝置處的摩擦阻力矩
其中為動片的寬度，，，，和同上述。
則
5、回轉(zhuǎn)油缸回油腔的背壓反力矩
其中為回油腔的油液壓力，在這里初步估算為
則
則手腕回轉(zhuǎn)油缸所需的驅(qū)動力矩為：
所以設(shè)計尺寸符合使用要求，安全。
三 結(jié)論
這次我所設(shè)計的機械手，運用了我大學(xué)四年學(xué)習的知識，對所有學(xué)習的知識進行了一次大的融合和運用。此次畢業(yè)設(shè)計的完成讓我又重新復(fù)習了一遍在學(xué)校里面學(xué)習的知識，對一些不熟悉的知識再次進行了復(fù)習和學(xué)習，同時也培養(yǎng)了我作為一個機械人應(yīng)該具備的基礎(chǔ)知識和專業(yè)素養(yǎng)，為將來我參加工作做了一個很好的前期鋪墊。我論文中的機械手是四個自由度的機械手，驅(qū)動是液壓驅(qū)動?，F(xiàn)在社會的不斷發(fā)展，科技也不斷的提高，我們社會對于機械手的設(shè)計也越來越精密，越來越符合實際的生產(chǎn)需求。文中機械手由手指，手腕部，手臂膀等主要部件組成。在設(shè)計過程中進行的嚴格、具體的設(shè)計、算數(shù)。因為經(jīng)驗的不足，在學(xué)習上面的知識也不足。因為總總的不足在設(shè)計的過程中會出現(xiàn)失誤，還請各位老師指正。
在構(gòu)想的機械手的設(shè)計中，我查了好多的相關(guān)書籍，圖片，資料和網(wǎng)上的相關(guān)資料，特別是在資料中看到的其他的總總設(shè)計資料中，我所學(xué)習的知識的到了更好的提升；在這次的機械手的設(shè)計中，讓我對機械上面的知識有了更多的了解，因此讓我對機械方面有了更高的了解。通過這次的機械手設(shè)計業(yè)讓我的設(shè)計能力的到了很大的提高。
我希望通過本次畢業(yè)設(shè)計對自己未來將從事的工作是更高的提升，這樣能更好的鍛煉自己的能力，為將來的工作能更好的發(fā)揮。
四 致謝
在這次設(shè)計中，是通過老師的悉心指導(dǎo)才能很好地完成的。老師的嚴格教學(xué)的態(tài)度和精益求精的作風使我受益匪淺。在這里，我要特別的感謝我的老師，并致以崇高的敬意! 這次畢業(yè)設(shè)計是我們在大學(xué)四年中學(xué)習的知識的以中結(jié)合運用，通過這次設(shè)計把這四年學(xué)習的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識作了一個總結(jié)和復(fù)習，從而使我更加了解了我學(xué)習的專業(yè)知識，這樣讓我更好的了解機械設(shè)計的思路，因此在以后的工作中能更好的運用我學(xué)習的知識。
在這次的設(shè)計中，我得到了指導(dǎo)老師悉心指導(dǎo)，同組同學(xué)的全力幫助，同時還要感謝學(xué)校提供這樣好的學(xué)習環(huán)境給我們，使得我們得到了比較好的提升。
指導(dǎo)老師為人比較的謙虛、學(xué)識和知識比較淵博、處事方面比較的嚴謹，他是我們學(xué)習的榜樣和行動的指南。平時我們的指導(dǎo)老師就比較的辛苦，但是他每周都能夠抽出時間來幫助我們解決設(shè)計中存在的問題和設(shè)計中存在的疑問。這這里，我要向我的老師表示我心里面最崇高的敬意和感謝，感謝我的同組同學(xué)，為我在設(shè)計的過程中提供的任何的幫助，可以這樣講沒有你們的幫助，就沒有我本次設(shè)計的成功。謝謝你們。
最后，因為這篇設(shè)計做的時間上比較的急、設(shè)計內(nèi)容和構(gòu)思上比較的粗糙，還請大家?guī)臀倚薷?。感謝。
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