液壓機械式機器手可靠性設計與計算

張進才

摘要：本次設計以液壓為動力源，設計計算了機械式機器手的機械本體所受的力和力矩，并進行了可靠性設計的分析和研究，建立可靠性模型是對系統可靠性進行分析的關鍵。

關鍵詞：液壓；計算可靠性設計；計算

1.機械式機器手的機械部分設計

1.1機械式機器手的機械組成

（1）手部既直接與工件接觸的部分，一般是回轉型或平動型。手部多為兩指；根據需要分為外抓式和內抓式兩種；也可以用負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，并可用來調節被抓物體的方位，以擴大機械手的動作范圍，并使機械手變的更靈巧，適應性更強。手腕有獨立的自由度。有回轉運動、上下擺動、左右擺動。

（3）臂部是機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動。臂部運動的目的：把手部送到空間運動范圍內任意一點。如果改變手部的姿態（方位），則用腕部的自由度加以實現。

1.2機械式機器手的方案確定

1.2.1手部設計要求

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，如弓箭的形狀和尺寸，手指的形狀和尺寸。

1.2.2腕部設計要求

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

2.機械式機器手的動力驅動設計

2.1手部液壓油缸驅動力計算

（1）根據手指夾持工件的方位

（2）根據手部結構的示意圖，其驅動力為

（3）實際驅動力：

（4）手指夾緊工件時，彈簧變形所產生的彈簧力

（5）夾緊缸的工作壓力

作用在夾緊缸活塞上的機械載荷P為：

2.2腕部液壓油缸驅動力計算

手腕的回轉、上下和左右擺動均為回轉運動，驅動手腕回轉時的驅動力矩必須克服手腕起動時所產生的慣性力矩，手腕的轉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動件的中心與轉動軸線不重合所產生的偏重力矩。

手腕轉動時所需的驅動力矩可按下式計算：

M_驅=M_慣+M_偏+M_摩+M_封

式中：M_驅-驅動手腕轉動的驅動力矩，N.cm

M_慣-慣性力矩，N.cm

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

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

（1）手腕加速運動時所產生的慣性力矩M_慣

若手腕起動過程按等加速運動，則：

式中：J-參與手腕轉動的部件對轉動軸線的轉動慣量，N.cm.s

J₁-工件對手腕轉動軸線的轉動慣量，N.cm.s

ω-手腕轉動時的角速度，弧度/s

△t-起動過程所用的時間，s

若工件中心與轉動軸線不重合，其轉動慣量J₁為

式中：JC-工件對過重心軸線的轉動慣量，N.cm.s

G_t-工件的重量，N

e_t-工件的重心到轉動軸線的偏心距，cm

ω-手腕轉動時的角速度，弧度/s

△t-起動過程所用的時間，s

△φ-起動過程所轉過的角度，弧度

（2）手腕轉動件和工件的偏重對轉動軸線所產生的偏重力矩M偏

M_偏=G₁e₁+G₃e₃N.cm

式中：G₃-手腕轉動件的重量，N

e³-手腕轉動件的重心到轉動軸線的偏心距，cm

當工件的重心與手腕轉動軸線重合時，則G₁e₁=0

3.液壓機械式機器手可靠性研究

3.1液壓機械式機器手可靠性分析

產品可靠性設計的首要任務就是研究產品的故障物理和故障模型，從而確定產品的可靠性指標及其等級，為后期的可靠性預測和分配奠定基礎。隨著科學技術的發展，機械產品為滿足經濟性與功能性，向著高可靠性，高集成，高金密發展。

3.2液壓機械式機器手可靠性評價

（1）平均故障間隔時間

一般機電產品從維修性角度出發可分為兩種即不可修復產品和可修復產品對于可修復產品在使用過程中發生了N次故障，每次故障修復后又重新投入使用，每次工作持續時間t₁，t₂…N。機械式機器手屬于典型的可修復產品，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之

式中：N是在評定周期內鏈式刀庫及機械手累計故障次數；

（2）平均故障修復時間

從發生故障失效到產品完全恢復規定功能所需的時間稱為修復時間，在評定周期內第i次故障的修復時間。

（3）可用度

產品在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或設備的可靠性設計指標，從而保證系統或設備符合規定的可靠性要求。本文在進行可靠性分配主要針對方案設計階段，故沒有考慮其工作狀況與使用環境的影響。在今后的研究中應結合使用階段的詳細情況對分配方案進行修正。