液壓機(jī)械式機(jī)器手可靠性設(shè)計與計算

張進(jìn)才

摘要：本次設(shè)計以液壓為動力源，設(shè)計計算了機(jī)械式機(jī)器手的機(jī)械本體所受的力和力矩，并進(jìn)行了可靠性設(shè)計的分析和研究，建立可靠性模型是對系統(tǒng)可靠性進(jìn)行分析的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞：液壓；計算可靠性設(shè)計；計算

1.機(jī)械式機(jī)器手的機(jī)械部分設(shè)計

1.1機(jī)械式機(jī)器手的機(jī)械組成

（1）手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平動型。手部多為兩指；根據(jù)需要分為外抓式和內(nèi)抓式兩種；也可以用負(fù)壓式或真空式的空氣吸盤和電磁吸盤。

（2）腕部是連接手部和臂部的部件，并可用來調(diào)節(jié)被抓物體的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動作范圍，并使機(jī)械手變的更靈巧，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕有獨(dú)立的自由度。有回轉(zhuǎn)運(yùn)動、上下擺動、左右擺動。

（3）臂部是機(jī)械手的重要握持部件。它的作用是支撐腕部和手部（包括工作或夾具），并帶動他們做空間運(yùn)動。臂部運(yùn)動的目的：把手部送到空間運(yùn)動范圍內(nèi)任意一點(diǎn)。如果改變手部的姿態(tài)（方位），則用腕部的自由度加以實現(xiàn)。

1.2機(jī)械式機(jī)器手的方案確定

1.2.1手部設(shè)計要求

工作時，一個手指開閉位置以最大變化量成為開閉范圍。手指的開閉范圍的要求與許多因素有關(guān)，如弓箭的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸。

1.2.2腕部設(shè)計要求

腕部是連接手部與手臂的部件，它的作用是調(diào)整或改變工件的方位，因而它具有獨(dú)立的自由度，以使機(jī)械手適應(yīng)復(fù)雜的動作要求。如圖2所示，此手腕最多具有四個獨(dú)立運(yùn)動即四個自由度。

2.機(jī)械式機(jī)器手的動力驅(qū)動設(shè)計

2.1手部液壓油缸驅(qū)動力計算

（1）根據(jù)手指夾持工件的方位

（2）根據(jù)手部結(jié)構(gòu)的示意圖，其驅(qū)動力為

（3）實際驅(qū)動力：

（4）手指夾緊工件時，彈簧變形所產(chǎn)生的彈簧力

（5）夾緊缸的工作壓力

作用在夾緊缸活塞上的機(jī)械載荷P為：

2.2腕部液壓油缸驅(qū)動力計算

手腕的回轉(zhuǎn)、上下和左右擺動均為回轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動手腕回轉(zhuǎn)時的驅(qū)動力矩必須克服手腕起動時所產(chǎn)生的慣性力矩，手腕的轉(zhuǎn)動軸與支承孔處的摩擦阻力矩，動片與缸徑、定片、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩以及由于轉(zhuǎn)動件的中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合所產(chǎn)生的偏重力矩。

手腕轉(zhuǎn)動時所需的驅(qū)動力矩可按下式計算：

M_驅(qū)=M_慣+M_偏+M_摩+M_封

式中：M_驅(qū)-驅(qū)動手腕轉(zhuǎn)動的驅(qū)動力矩，N.cm

M_慣-慣性力矩，N.cm

M_偏-參與轉(zhuǎn)動的零部件的重量（包括工件、手部、手腕回轉(zhuǎn)缸的動片）對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩，N.cm

M_封-手腕回轉(zhuǎn)缸的動片與定片、缸徑、端蓋等處密封裝置的摩擦阻力矩，N.cm

（1）手腕加速運(yùn)動時所產(chǎn)生的慣性力矩M_慣

若手腕起動過程按等加速運(yùn)動，則：

式中：J-參與手腕轉(zhuǎn)動的部件對轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量，N.cm.s

J₁-工件對手腕轉(zhuǎn)動軸線的轉(zhuǎn)動慣量，N.cm.s

ω-手腕轉(zhuǎn)動時的角速度，弧度/s

△t-起動過程所用的時間，s

若工件中心與轉(zhuǎn)動軸線不重合，其轉(zhuǎn)動慣量J₁為

式中：JC-工件對過重心軸線的轉(zhuǎn)動慣量，N.cm.s

G_t-工件的重量，N

e_t-工件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距，cm

ω-手腕轉(zhuǎn)動時的角速度，弧度/s

△t-起動過程所用的時間，s

△φ-起動過程所轉(zhuǎn)過的角度，弧度

（2）手腕轉(zhuǎn)動件和工件的偏重對轉(zhuǎn)動軸線所產(chǎn)生的偏重力矩M偏

M_偏=G₁e₁+G₃e₃N.cm

式中：G₃-手腕轉(zhuǎn)動件的重量，N

e³-手腕轉(zhuǎn)動件的重心到轉(zhuǎn)動軸線的偏心距，cm

當(dāng)工件的重心與手腕轉(zhuǎn)動軸線重合時，則G₁e₁=0

3.液壓機(jī)械式機(jī)器手可靠性研究

3.1液壓機(jī)械式機(jī)器手可靠性分析

產(chǎn)品可靠性設(shè)計的首要任務(wù)就是研究產(chǎn)品的故障物理和故障模型，從而確定產(chǎn)品的可靠性指標(biāo)及其等級，為后期的可靠性預(yù)測和分配奠定基礎(chǔ)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品為滿足經(jīng)濟(jì)性與功能性，向著高可靠性，高集成，高金密發(fā)展。

3.2液壓機(jī)械式機(jī)器手可靠性評價

（1）平均故障間隔時間

一般機(jī)電產(chǎn)品從維修性角度出發(fā)可分為兩種即不可修復(fù)產(chǎn)品和可修復(fù)產(chǎn)品對于可修復(fù)產(chǎn)品在使用過程中發(fā)生了N次故障，每次故障修復(fù)后又重新投入使用，每次工作持續(xù)時間t₁，t₂…N。機(jī)械式機(jī)器手屬于典型的可修復(fù)產(chǎn)品，因此采用平均故障間隔時間作為其可靠性特征的度量指標(biāo)之

式中：N是在評定周期內(nèi)鏈?zhǔn)降稁旒皺C(jī)械手累計故障次數(shù)；

（2）平均故障修復(fù)時間

從發(fā)生故障失效到產(chǎn)品完全恢復(fù)規(guī)定功能所需的時間稱為修復(fù)時間，在評定周期內(nèi)第i次故障的修復(fù)時間。

（3）可用度

產(chǎn)品在t時刻能正常行使功能的概率，稱為其在t時刻的可用度A（c）。

4結(jié)語

可靠性分配是一項不可或缺的工作，通過可靠性分配為研制者確定了系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性設(shè)計指標(biāo)，從而保證系統(tǒng)或設(shè)備符合規(guī)定的可靠性要求。本文在進(jìn)行可靠性分配主要針對方案設(shè)計階段，故沒有考慮其工作狀況與使用環(huán)境的影響。在今后的研究中應(yīng)結(jié)合使用階段的詳細(xì)情況對分配方案進(jìn)行修正。