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自动 钻杆 机械手 设计

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自动换钻杆机械手设计摘 要煤矿钻孔广泛应用冲击地压的释放、瓦斯抽放、煤炭开采、判断采掘地区的地质构造等领域。但限制条件也众多，例如井下空间有限、钻机尺寸等原因，钻杆不能很长。因此，钻孔及退钻过程中需要不断连接和卸下钻杆。用机械代替人工操作，将大幅提高钻孔效率，提高煤矿采煤机械化程度，实现钻杆的自动化安装可提高钻孔过程的安全性。本课题将会现场实地调研矿用钻杆生产现场的实际生产状况，同时将机械手组件的技术发展的现状相结合比对。从而分析机械手组件需要达成的要求和目标，然后对带护丝机械手的动作流程和钻杆自动涂油进行思考构想，然后再设计明确的完善流程。同时仔细考量机械手的总体方案设计要求，然后进行整体结构简图的设计，也要对主机械手的上护丝机械手部分进行运动学分析。该项目我将使用ANSYS、 SOLIDWORKS等专业制图软件绘图，对该设计的主体部分即机械臂部分和机械爪部分进行详实的计算以确定合理的结构。我将会先实验确认机械臂的空间运动轨迹，然后对多个轨迹分析，确定具体我们需求的轨迹，然后装载西门子PLC用来对主题部分的机械臂部分和机械爪部分仿真调试，以确定控制电路，确定硬件的选用和对应的控制系统，同时也会设计出合理的程序去控制。最终达成机械手抓取的钻杆最大质量为100公斤，最大直径为220毫米，最大长度1.6米。适于巷道或钻场断面宽度4.0米，高度3.5米。适于钻机机面高度1米，钻机最大倾角15。移动部采用履带驱动。 关键词：矿井工作面；钻杆拆卸；夹持力；机械手爪AbstractCoal mine boreholes are widely used in the fields of release of rock burst, gas drainage, coal mining, prediction of geological structure in mining areas, etc. However, due to the limited underground space and the size of the drilling rig, the drill pipe cannot be very long. Therefore, it is necessary to continuously connect and disconnect drill pipes during drilling and withdrawal. Replacing manual operation with machinery will greatly improve the drilling efficiency, improve the mechanization degree of coal mining in coal mines, and realize the automatic installation of drill pipes to improve the safety of the drilling process.This topic will investigate the actual production situation of the mine drill pipe production site on the spot and compare the current situation of the manipulator assembly technology development. So as to analyze the requirements and goals that the manipulator assembly needs to achieve, and then think about the action process of the manipulator with thread protector and the automatic oiling of drill pipes, and then design a clear and perfect process. At the same time, carefully consider the overall scheme design requirements of the manipulator, and then design the overall structure diagram, and also carry out kinematic analysis on the upper wire protection manipulator part of the main manipulator. In this project, I will use professional drawing software such as ANSYS and SOLIDWORKS to draw drawings, and make detailed calculations on the main parts of the design, namely the mechanical arm part and the mechanical claw part, to determine a reasonable structure. I will first confirm the space motion trajectory of the mechanical arm through experiments, then analyze multiple trajectories to determine the specific trajectory we need, and then load Siemens PLC to simulate and debug the mechanical arm part and the mechanical claw part of the theme part to determine the control circuit, determine the selection of hardware and the corresponding control system, and also design a reasonable program to control.Finally, the drill pipe grasped by the manipulator has a maximum mass of 100kg, a maximum diameter of 220mm and a maximum length of 1.6m . Suitable for roadway or drill floor section width 4.0m and height 3.5m. It is suitable for drilling machine surface height of 1m and maximum inclination angle of drilling machine 15. The moving part is driven by caterpillar tracks.Key words: Mine working face; Removal of drill pipe; Clamping force; Mechanical claw.目录摘 要11绪论11.1 课题研究背景与意义11.1.1选题背景11.1.2课题研究意义21.2国内外研究现状及本课题相关设备概述31.2.1钻杆技术的发展和现状61.2.2机械臂技术的发展和现状81.2.3 机械手技术的发展和现状91.3 本章小结112 总体方案设计122.1主要部件的设计特点122.1.1履带小车：122.1.2机械臂：122.1.3钻杆拆装机械手爪：122.2 高效稳定的设计理念2132.3维护简单的设计方案132.4 本章小结143 履带小车的设计计算13.1 结构设计方案13.2 结构参数计算13.2.1选择液压马达13.2.2选择液压泵13.2.3设计驱动轴23.2.4设计驱动轮和导向轮 24 机械臂小臂结构的设计和伸缩油缸的计算14.1小臂结构的设计14.2活塞杆强度跟刚度的校核44.3导向杆的强度校核54.4本章小结65 俯仰缸的设计和计算15.1 俯仰结构的设计和计算15.2 缸盖螺钉的强度校核35.3 本章小结46 机械臂大臂的结构设计和计算16.1 大臂回转缸的设计计算16.2 油缸定片连接螺钉的校核46.3 机械手大臂装配的升降缸的设计和计算56.4 机械手的不自锁的条件76.5 本章小结87 钻杆拆装机械手爪的设计与仿真107.1 工作原理及驱动力分析107.2手部夹紧油缸的设计117.3油缸壁厚的计算127.4 活塞杆的计算和校核137.5 机械手爪三维建模137.6 运动学仿真分析147.6.1简化模型147.6.2 定义运动副157.6.3 添加驱动167.6.4 运动学仿真结果分析168 结论.189 参考文献.1910翻译原文及译文.20DirectoryAbstract11Introduction11.1 Research Background and Significance of the Topic 11.1.1 Background of Topic Selection 11.1.2 Significance of Project Research 21.2 Overview of Research Status at Home and Abroad and Relevant Equipment for this Topic 31.2.1 Development and Present Situation of Drill Pipe Technology61.2.2 Development and Present Situation of Robot Arm Technology81.2.3 Development and Present Situation of Manipulator Technology91.3 Summary of this Chapter 112 overall scheme design12.1 Design Features of Main Components12.1.1 Tracked trolley12.1.2 Mechanical Arm12.1.3 Mechanical Claw for Drill Pipe Disassembly and Assembly12.2 Efficient and Stable Design Concept22.3 Simple Maintenance Design Scheme22.4 Summary of this Chapter33 Design and Calculation of Tracked Trolley13.1 structural design scheme13.2 Calculation of Structural Parameters13.2.1 mass calculation 13.2.2 Track Width Calculation Formula 13.2.3 Track Gauge Formula23.2.4 Track Support Surface Lengths 23.2.5 Drive Wheel Design23.2.6 Motor Driving Torque24 Design of Arm Structure of Mechanical Arm and Calculation of Telescopic Cylinder14.1 Design of Arm Structure 14.2 Verification of Strength and Stiffness of Piston Rod 44.3 Strength Check of Guide Rod 54.4 Summary of this Chapter 65 Design and Calculation of Pitching Cylinder 15.1 Design and Calculation of Pitching Structure15.2 Strength Check of Cylinder Head Screw35.3 Summary of this Chapter 46 Structural Design and Calculation of 6 Manipulator Arm16.1 Design and Calculation of Big Arm Rotary Cylinder16.2 Check of Connecting Screw for Cylinder Stator46.3 Design and Calculation of Lifting Cylinder for Arm Assembly of Manipulator56.4 Conditions for Non-Self-Locking of Manipulators76.5 Summary of this Chapter 87 Design and Simulation of Mechanical Gripper for Drilling Rod Disassembly and Assembly 107.1 working principle and driving force analysis107.2 Design of Hand Clamping Cylinder117.3 Calculation of Cylinder Wall Thickness127.4 Calculation and Verification of Piston Rod 137.5 Three-dimensional Modeling of Mechanical Claw137.6 Kinematic Simulation Analysis147.6.1 simplified model.147.6.2 Definition of kinematic pair .157.6.3 Add Driver 167.6.4 Kinematic Simulation Results Analysis168 Conclusion.189 References.1910Translate the original text and translation.201 绪论1绪论1 Introduction1.1 课题研究背景与意义(The Background and Significance of the Research)1.1.1选题背景近现代这些年来，经济全球化的趋势愈发凸显，各个国家之间经济贸易交换频繁，自然资源交换自然也会多，例如出口石油稀土天然气等自然资源，但这样交换资源快速发展很大程度上也加速了石油、煤炭和天然气等能源物质的消耗，随着资源消耗的增加，供需关系发生变化，需求大大增加，自然会让人们加大能源开采和开发，同时努力寻找新能源，但未找到安全可靠的新能源之前，目前的资源消耗必然越来越快，然而整个地球范围内便于开采的资源必然是有限的，因此在开采程度加深的同时，石油煤矿等便于开采的安全可靠资源必然越来越少，荒漠、山区、近海甚至深海在未来必将成为人们开采的主阵地。在打井的过程中，性能优良的钻杆不仅能降低钻井过程中的成本，还能极大地提高钻井的效率。因此现在的钻井工程对钻杆的品质提出越来越高的要求。目前在中国国内西部一些偏远的沙漠中，陆地钻井工作面深度已经达到了9300多米，而在一些欧洲国家，它的矿井工作面的深度已经超过11000米。而在增加钻井深度的同时，增大的钻杆所传送的扭矩也是必然的，自然对钻杆选材性能的要求也会提高。在钻探推进的过程中，尤其在海洋平台钻井推进的过程中，一旦由于钻杆的材料性能不够导致质量问题的发生，从而使得下一步的生产过程无法继续，那么在当时的情况下对于开采方的损失非常之大，甚至每天的经济损失粗略估计就可成百万计数。我们转而看中国西部的山地区域，地下油气矿业储备资源极为丰富，但是那里有害气体往往有相对较多。这些有害气体大多数可以溶化于地下水中，这样一来地区的水质往往会比较差且有一定的腐蚀能力，从而会对矿用设备的维护有较大的危害，自然对钻杆的破坏也不可避免，一旦钻杆被腐蚀破坏，它就会更容易发生刚性疲劳，一旦发生就会出现钻杆断裂甚至碎裂的严峻情况，这是在工作面发生这种事后果将非常严重。为了避免这类严重事故的出现，提升有效产能，开采方相对来说期望供应商能够提供安全可靠，材质优越的钻杆来面对严峻的地理条件。目前国内的制造业蓬勃发展，因此国内生产的矿用钻杆，其质量和性能基本能够满足矿用钻井的需要，单独对比欧美等发达国家的科研技术，生产出的钻杆质量有很大的差距。因而大面积提高国内矿用钻杆生产企业的技术是必须的，必须在技术上认识到与国外企业的差距，虚心学习，刻苦钻研，务必找到差距所在之处，从而艰苦奋斗，努力拿下技术关口，追赶国外先进的矿用钻杆生产技术，特别是在钻杆选材、钻杆的结构方面钻研突破，力争尽快赶上国外的生产水平。1.1.2课题研究意义 当今社会快速发展的同时，对资源的需求也会大大的增加，而煤矿更是当今资源占比比较大的一项，需求量大致使参加煤矿开采的人更多，因而人们对于安全开采煤矿更加重视，井下设备的自动化、智能化成为我国煤炭工业发展的必由之路，而对于煤矿机器人的研发更是智慧煤矿的重要组成部分。井下钻探作为基础的技术手段，在瓦斯抽放、采煤、矿压、矿井地质测量等方面被广泛采用。井下钻探设备一般需要钻的孔较深，单根钻杆无论从运输还是钻孔操作来说都不现实，所以需要多根钻杆接续以完成钻孔任务。从堆放器具中取出钻杆送放到夹持器中进行接杆，这就是钻杆装卸，在一个工作孔打完后再把钻杆从夹持器中拆下运回堆放器的一系列过程，也是井下钻孔设备自动化急需解决的问题之一。而机械手爪早已在码垛，采摘等方面取得广泛的应用。但碍于井下恶劣的工作环境，钻杆的更换迟迟不能实现高度自动化。目前，我国针对钻杆更换仍以人工或单轨吊吊取钻杆的方式更换钻杆为主，换钻效率低，钻具磨损严重。钻杆辅助拆装机械手爪是井下换钻机械手的末端执行机构，工作环境恶劣，设计和应用结构更加合理的机械手爪对装卸钻杆意义更加重大。开合式机械手爪具有结构紧凑，灵活度高，控制简单，负载能力强的特点，完全可以胜任拆卸钻杆的任务。机械手是一种较为简单的工业机器人，是随着当今社会快速发展而出现的最前沿的技术，是结合了机械技术、电子技术、微电子技术和通信技术的一个多种综合运用的新的技术领域。机械手目前已经深深的融入了我们的生活，在多个领域得到了广泛全面的应用，例如生活、医疗、卫生、农业和工业，而在汽车航空制造业、电子器件加工、军工、高精操作实验室和第三产业等更是不可或缺。机械手技术可以大大提升制造业的精度从而提升当前的技术水平，同时也可以提升产能和效率，对于一些积极发展该技术的相关企业更是可以极大增强企业的竞争力。机械手技术在各个领域广泛运用的同时，它可以在很多方面替代人工操作，例如重复的流水线生产、极端恶劣严酷的环境操作、高精度装配以及细微操作等人们难以进行或者不必进行的操作，极大地提升了安全性和对人力和资源的节约。综上所述，从工业革命后工业蓬勃发展以来，社会科学的不断进步催生了机械手技术，它是跨时代的发展，是科技进步的里程碑，是科学技术进步对社会发展推动的典型，自然机械手技术是现代科学制造技术的不可或缺的尖端设备。本课题我将我熟悉的矿井与机械手技术结合，让矿井工作面也多多运用现代科学技术的瑰宝机械手技术，本课题将机械手的关键机械臂和机械爪结合同时是加上上了移动组件即履带小车，做出了自动换钻杆机器人，极大提升了工作效率，方便了工人操作和保障了安全等。1.2国内外研究现状及本课题相关设备概述(Research Status at Home and Abroad and Overview of Relevant Equipment in this Topic) 早在工业革命后的1959年，全球第一台机器人在美国Unimation公司诞生，由知名机器人专家恩格尔伯格设计制造，在机器人初步问世之后，人们看到了机器人的巨大的发展潜力和对现代科学技术的极大推动的可能，因此随后就有大量的研究人员进入该领域的研究，机器人技术在大量人力物力的推动下，该技术以无法想象的速度飞速发展，尤其是在工业方面的应用可以解决工厂需要大量工人在流水线上的情况，到了上世纪六十年代的中后期，工业机器人在流水线及其他工厂里的使用已经开始普及，同时技术也渐趋完善，资本家们看到了节约成本的机会，继续大力推进发展。但是机器人的出现使得欧美国家的大部分工人逐渐发现的对他们岗位的压迫，人们开始担忧工业机器人在工厂一旦完全普及会夺走他们的工作，让他们失业无法养家糊口，因此人们大规模的反对抵制机器人技术，开始游行抗议，最严重的时候居然出现了打砸工厂内机器人的严重治安事件。到了上世纪七十年代的中后期，日本由于历史原因，导致了国内劳动力极为缺乏，因此日本花费重金购买了大量美国的相对成熟的工业机器人，从而缓解了本国的由于快速发展导致的对应劳动力匮乏的情况，机器人技术从而得以在日本得的国内蓬勃发展，通过人力的聚集，很快日本的机器人技术就已经赶超了欧美等发达国家，直到现在，日本的机器人技术还是位于世界顶尖。现如今国外的机器人技术发展已经相当超前，国际上首要的八大机器人生产商分别是发那科（FANUC）、那智（NACHI）不二越、柯马（COMAU）、库卡（KUKA）、瑞典ABB、安川电机（Yaskawa）、史陶比尔（Staubli）、爱普生（DENSOEPSON）、。八大工业机器人巨擘稳稳的垄断了全球市场总份额的百分之八十二以上，同时八大机器人巨擘也紧紧跟着全球化浪潮开始了机器人行业的全球布局，在技术优势显著的情况下加大对市场的投入和关注，使用正确营销策略的情况下市场占比必然会进一步扩大。对于发那科（FANUC），他们三大产品系列非常实用且先进。他们的CNC产品系列，该系列阵容强大，从普通的数控机床到复杂构造的复合加工机，以及产业机械，覆盖面广。FANUC已经生产了超过了300万台CNC，并且安装有这些CNC的机械被应用于全世界的相关领域。2019年12月，FANUC在日本国际机器人展览会上首次推出新型协作机器人CRX-10iA，此次推出的新型协作机器人具备高安全性、高可靠性、便捷使用三大特点，引领人机协作技术进入了新的时代。作为一款小型协作机器人，CRX-10iA最大负载为10kg，可达半径1249mm，其长臂型机型CRX-10iA/L，动作可达半径达1418mm。CRX针对小型部件的搬运、装配等应用需求为用户提供精准、灵活、安全的人机协作解决方案。CRX具有优秀的运动性能，机器人最高运动速度达到1000mm/s，除了可高速运动外，长臂型机型还具备手臂下翻功能，在运行时可降低干涉区域，使您可以轻松取放位于机器人后面的零件。CRX的三大特性：高安全性 人的轻微触碰会使机器人安全地自动停止 机身表面光滑、无凹凸，触碰时不会造成伤害 协作模式指示灯直观可见 机器人运动时各关节间留有足够空间，防止人员操作时夹手便捷使用 无需起重设备，简单安装 操作直观，示教简单 可与多种手爪简单连接 可与FANUC各种智能化设备（视觉传感器、力觉传感器）无缝连接此外，CRX可与多种手爪简单连接，并通过外围设备软件界面查看菜单和输入相关指令。在当初新中国建立后，西方欧美的资本主义发达国家对我们有所敌视和打压，例如技术封锁，这直接影响了我国工业用机器人的发展，使得我国在上世纪的末期才逐步开始发展，为了紧紧跟着全球化浪潮在经济全球化的过程中不至于落下，保证中国强国之路顺利进行，在上世纪的90年代前期，我国领导人以极富远见的眼光制定了新的国家战略之一，即大力发展机器人技术，至此中国的机器人产业开始发展，在国家政策的鼎立推动下，国内的机器人产业度过了十多年的平稳快速的发展的时间，这段平稳的发展让国内机器人行业打下了坚实的基础，同时也有了极大的提升，这是中国的机器人行业从无到有的突破性改变。当下的时代，国内人口基数大带来的优势逐步消失，基层劳动力日益短缺，企业对于基础劳动力的投入越来越大，企业是为了盈利，自然而然想削减劳动力支出以节约成本，于是机器人逐步开始在工厂的流水线生产中代替工人。在德国政府发布的德国2020高技术战略中提出了十大未来项目，而其中工业 4.0的想法，指出了目前全球工业自动化的发展方向，自然而然推进了全球机器人的产业布局。我国紧随时代的脚步，出台了优厚的政策，帮助推进中国人自己的机器人技术发展，通过这种方式帮助机器人企业，推动他们的研发发展，同时成立中国机器人产业发展联盟，在国内部分工业发达的一二线城市规划机器人产业园区，吸引技术与人才，努力推动机器人产业的发展以尽快追赶国际顶尖水平。目前中国的机器人市场还是被国外机器人巨头垄断，只看国际四大机器人巨头，他们所占有的市场份额就占有了国内机器人市场百分之八十以上的份额。目前国际四大机器人巨头已经加快了在中国的机器人产业布局，这对于国内工业机器人生产商来说将是巨大的挑战，但同时也可以相对便利的与他们有所交流，学习技术，提高自身的企业竞争力。国内的机器人产业最近二十年间得到了国家的丰厚的政策的大力支持，因而获得了长足的发展，目前已经有了很多公司重视机器人领域，看好该行业的发展潜力，所以开始大力投资发展机器人，当下已经有了一定产能的主要有沈阳新松机器人自动化股份有限公司、京东数字科技控股有限公司以及上海ABB工程有限公司等。 1.2.1钻杆技术的发展和现状1)钻杆简介钻杆是一种在尾部有螺纹的钢管，大多用于钻机地表设备的连接和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置的连接。目前钻杆的用途大多是将钻探泥浆运送到钻头，同时与钻头一起提升、降低或者旋转底孔装置等。对于钻杆要求也较为严格，由于一半多应用于地下，所以必然有极大的压力，破碎岩层时的振动，这些都是会遇到的问题，自然需要解决钻杆这方面的问题。在很多的开采和提炼过程例如油气的开采和提炼中，钻杆是可以重复使用的。钻杆是由光管和原钢管材在经过多次加工后被制成的。首先，我们通过钢管加厚的工序，是的光管外表面向内侧弯曲，而钢管的管壁加厚。然后，对螺纹进行加工并镀上铜使它的强度增加。再次对其进行非破坏性质量控制的检验，随后焊接钢管管体的接头。此后，会对整个管体进行热处理焊接和焊接的最终处理，用来消除焊接留下的残余应力以保证产品质量。当然进行其他的一些检测包括硬度测试，压力测试和非破坏性测试等，这是在对成品钻杆进行渡漆和包装钢管成品之前的必要环节。目前大部分井下使用的钻杆，其长度一般为九米左右。分类对于钻杆的分类，我们一般分三类，即方钻杆、钻杆和加重钻杆。连接次序为方钻杆（1根)+钻杆(n根，具体数目决定于井深）+加重钻杆（n根，具体数目决定于设计的钻具组合）。作用钻杆是钻柱的基本组成部分。输送钻井液和传递扭矩，同时通过钻杆整体的逐渐加长使得井眼不断加深是它的主要作用。因此，在矿井钻探中钻杆占有十分重要的地位。结构钻杆一般由无缝钢管制做而成，管材壁厚一般在911mm之间；大部分情况下由管体与接头两部分组成，此后用摩擦焊来使其对焊在一起。2)方钻杆方钻杆一般位于矿井用钻柱的最上端，通常按外形被人们分为四方和六方两种类型。作用钻进时，方钻杆与内外螺纹管接头配合，从而将地面产生的旋转扭矩通过它传递到钻杆，来带动钻柱和钻头旋转破开岩层；承受钻柱的全部重量；钻井液循环的通道。结构方钻杆由上下接头和管体部分组成。管体部分为四方及六方两种结构（大多数使用四方结构的是石油钻井）；反扣的左旋母螺纹为上接头，这样连接水龙头，可以使得它在旋转过程中左旋母螺纹不会倒扣；右旋公螺纹为下接头，这样连接钻杆。此时在工作时，方钻杆上端可以始终处于转盘面以上，下部则可以始终处于转盘面以下。3)加重钻杆加重钻杆类似油气钻杆，是一种空心的钢柱，长度一般为10米左右。但是它的单根质量相比石油钻杆一般较重，其壁厚是钻杆的2.23.2倍，一般我们都是在钻杆和钻铤之间接上指定数目的加重钻杆，这样做的目的是防范钻具串截面变化，从而引动结构破坏，这种破坏一般为疲劳破坏，同时还可以起到钻铤的一部分作用，并且它的悬吊相对简单，起下钻的操作较为方便，可以有效节省起下钻所花费的时间。4)矿钻孔应用矿钻孔广泛应用冲击地压的释放、瓦斯抽放、煤炭开采、预判采掘区地质构造等领域。但由于井下空间有限、钻机尺寸等原因，钻杆不能很长。因此，钻孔及退钻过程中需要不断连接和卸下钻杆。用机械代替人工操作，将大幅提高钻孔效率，提高煤矿采煤机械化程度，实现钻杆的自动化安装可提高钻孔过程的安全性。1.2.2机械臂技术的发展和现状1）机械臂简介机械臂是指有较高的精度要求的、有多个自由度以及非线性的较为严密的机械操作运载系统。机械臂的多自由度决定了它可以较为方便的在各种情况下应用, 所以得以在工业装配, 安全防爆，矿业开采，机械运输，重装探测等多个领域应用广泛1。机械臂是一个复杂的系统, 存在着许多的随机性，例如参数摄动、外界干扰及未建模动态等。因此对机械臂数学模型的建模分析也存在着随机性，所在在不同的领域面对不同的应用时, 须要正确完善的规划机械臂关节的空间运动轨迹，从而得以正确的确定应该抵达的末端位置以保证动作的准确性。2）机械臂系统机器人系统是由视觉传感器、机械臂系统、主体移动部分及主控计算机组成，其中机械臂系统又由模块化机械臂和灵巧机械手这两部分组成。3）机械臂建模模型不确定性分类不确定性分为两种主要类型:结构的不确定性和非结构的不确定性。结构的不确定性结构的不确定性和建模模型本身有较大的关联,可分为以下两种：参数的不确定性如负载质量、连杆质量、长度及连杆质心等参数未知或部分已知。未建模动态高频未建模动态, 如执行器拟态或结构振动等;低频未建模动态, 如动/静摩擦力等。模型不确定性模型不确定性给机械臂轨迹跟踪的实现带来影响, 同时部分控制算法受限于一定的不确定性。应用于机械臂控制系统的设计方法主要包括pid控制、自适应控制和鲁棒控制等2。4）柔性机械臂建模理论建立柔性机械臂的动力学方程主要是运用拉格朗日方程和牛顿-欧拉方程这两个最具代表性的方程。另外比较常用的还有变分原理, 虚位移原理以及凯恩方程的方法。柔性体变形的描述主要有以下几种：1) 有限元法；2) 有限段法；3) 模态综合法；4) 集中质量法；动力学方程的建立无论是连续或离散的动力学模型，其建模方法主要基于两类基本方法：矢量力学法和分析力学法。应用较广泛同时也是比较成熟的是牛顿-欧拉公式、拉格朗日方程、变分原理、虚位移原理和凯恩方程3。控制策略对柔性机械臂的控制一般有如下方式,（1） 刚性化处理。（2）前馈补偿法。（3）加速度反馈控制。（4）被动阻尼控制。（5）力反馈控制法。（6）自适应控制。（7）PID 控制。（8）变结构控制。（9）模糊与神经网络控制。1.2.3 机械手技术的发展和现状1）简介在当今的社会，全球化的浪潮汹涌而至，自然先进的科技也会席卷全球，人文社科的快速发展，自然使得机器人技术也有了长足的进步，机械臂相比于人类的手臂优势明显，拥有更大的力量、更长的持续时长、更高的精度等等。就比如流水线生产时机械手可以持续重复既定的轨道进行动作完成要求；在严酷环境下抓取目标物体；在实验室的高精度或者危险品实验中代替人手进行接触，可以有效保证精度和保护实验人员的生命安全等。在这种背景下，机械臂自然将会在越来越多的领域得到应用,机械手是最近半个世纪发展出来的一种具有较高技术含量的主要用于工业的设备，它的精度相对较高，而且恶劣环境下一样可以保持稳定可靠的运行4。工业机械手是工业机器人的一个重要组成。按照它的驱动方式可以分为液压式、气动式、电动式、机械式。特点是可以通过编程来完成各种预期的作业，构造和性能上兼有人和机械手机器各自的优点。2）构成简介机械手主要由执行机构、驱动机构和控制系统三大部分组成。执行机构机械手的执行机构分为手爪、手臂、躯干；（1）手部手部安装在手臂的前端。手臂的内孔中装有传动轴，可把运用传给手腕，以转动、伸曲手腕、开闭手指。机械手手爪部分的结构组成是模仿的人的手部，因而被分为无关节、固定关节以及自由关节这三种。手指的数量又可分为多种，其中二指机械爪相对其余的被使用的较多。（2）手臂手臂的作用是引导手指准确地抓住工件，并运送到所需的位置上。为了使机械手能够正确地工作，手臂的3个自由度都要精确地定位。（3）躯干躯干躯身躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。3）驱动机构机械手所用的驱动机构主要有4种：液压驱动、气压驱动、电气驱动和机械驱动。其中以液压驱动、气压驱动用得最多5。液压驱动式目前研究人员针对具有不可忽略阀死区和强集总非线性及不确定性的液压机械手的多自由度控制问题，提出并研究了一种实用的连续分数阶非奇异终端滑模控制设计及死区补偿器。该方法包括三个部分:用于近似估计和补偿极其复杂的系统动力学的时延估计，用于确保针对强集总非线性和不确定性的高控制性能的连续分数阶非奇异终端滑模，以及用于补偿不可忽略的阀死区的阀死区补偿器。由于时延估计，所提出的方法是无模型的，并且由于连续分数阶非奇异终端滑模和死区补偿器，能够保证满意的控制性能。严格证明了包含死区补偿器的闭环控制系统的稳定性。最后，进行了实际的2自由度实验，相应的结果有效地证明了新提出的带死区补偿器控制器的优越性。气压驱动式气动驱动系统有很大的节约潜力这主要是因为它们的压缩空气消耗是设计的结果，而实际上这通常是由系统设计者根据他们的经验来完成的。电气驱动式考虑执行器电压输入约束，目前人们改进了“基于自适应不确定性估计的电动机器人鲁棒控制”提出的鲁棒自适应控制器的稳定性结果。事实上，已经提出了同时考虑控制输入的饱和和非饱和区域的一般稳定性分析。结果表明，在状态空间的任何有限区域内，联合位置和速度跟踪误差一致极限有界，而系统中的其他信号保持有界。机械驱动式机械驱动是最传统也是最基础的驱动方式，它只在既定动作较为固定的情况。凸轮连杆机构是机械驱动最基本的结构组成。这种驱动方式的特点是运行稳定可靠，运行效率也相对较高，而且基础成本也不高，缺陷是需要改变动作或轨迹时较难调整6。1.3 本章小结(Summary of this chapter)介绍了关于本设计的相关情况和使用的组件，后面对具体组件分析时将不再提及相关。近现代这些年来，经济全球化的趋势愈发凸显，各个国家之间经济贸易交换频繁，自然资源交换自然也会多，例如出口石油稀土天然气等自然资源，但这样交换资源快速发展很大程度上也加速了石油、煤炭和天然气等能源物质的消耗，随着资源消耗的增加，供需关系发生变化，需求大大增加，自然会让人们加大能源开采和开发，同时努力寻找新能源，但未找到安全可靠的新能源之前，目前的资源消耗必然越来越快，然而整个地球范围内便于开采的资源必然是有限的，因此在开采程度加深的同时，石油煤矿等便于开采的安全可靠资源必然越来越少，荒漠、山区、近海甚至深海在未来必将成为人们开采的主阵地。在打井的过程中，性能优良的钻杆不仅能降低钻井过程中的成本，还能极大地提高钻井的效率。因此现在的钻井工程对钻杆的品质提出越来越高的要求。目前在中国国内西部一些偏远的沙漠中，陆地钻井工作面深度已经达到了9300多米，而在一些欧洲国家，它的矿井工作面的深度已经超过11000米。而在增加钻井深度的同时，增大的钻杆所传送的扭矩也是必然的，自然对钻杆选材性能的要求也会提高。在钻探推进的过程中，尤其在海洋平台钻井推进的过程中，一旦由于钻杆的材料性能不够导致质量问题的发生，从而使得下一步的生产过程无法继续，那么在当时的情况下对于开采方的损失非常之大，甚至每天的经济损失粗略估计就可成百万计数。我们转而看中国西部的山地区域，地下油气矿业储备资源极为丰富，但是那里有害气体往往有相对较多。这些有害气体大多数可以溶化于地下水中，这样一来地区的水质往往会比较差且有一定的腐蚀能力，从而会对矿用设备的维护有较大的危害，自然对钻杆的破坏也不可避免，一旦钻杆被腐蚀破坏，它就会更容易发生刚性疲劳，一旦发生就会出现钻杆断裂甚至碎裂的严峻情况，这是在工作面发生这种事后果将非常严重。为了避免这类严重事故的出现，提升有效产能，开采方相对来说期望供应商能够提供安全可靠。112总体方案设计2 总体方案设计2 Overall scheme design2.1主要部件的设计特点(Design Features of Main Components)2.1.1履带小车：这种履带小车对地面的单位压力小，下陷小，附着能力强，行驶通过能力强。整体与普通轮式车辆基本一样。一般按行驶系结构可分为前桥(从动桥)装雪橇或车轮、后桥装履带的半履带式，前后桥都装履带的全履带式和可互换使用车轮、履带的车轮-履带式三种类型。该设计中小车的履带是由主动轮作为主要驱动部，然后整体围绕着主动轮、负重轮、诱导轮和托带轮的柔性链环。履带板和履带销两个主要部件及其他等组成了履带。履带链环是通过履带销将各履带板联结起来组成的。在履带板的两个边端处都有打孔，用来啮合主动轮，在他的中部装有诱导齿，以用来规正履带，防止偏离轨道7，同时有效避免了履带小车在转向或侧倾行驶时发生履带的脱落，不然一旦脱落将造成比较严重的后果8，当然防滑措施也是必不可少的，绝大部分时候我们都会装加强防滑筋（通常叫做花纹）在与地面有直接接触的单面，这样就可以大大增强履带板的坚固程度和履带对地面的附着能力9。2.1.2机械臂： 机械臂是指有较高的精度要求的、有多个自由度以及非线性的较为严密的机械操作运载系统。机械臂的多自由度决定了它可以较为方便的在各种情况下应用, 所以得以在工业装配, 安全防爆，矿业开采，机械运输，重装探测等多个领域应用广泛。2.1.3钻杆拆装机械手爪：钻杆拆装机械手爪是钻杆拆装系统中钻杆拆装系统的末端执行机构，其结构的合理性是能否完成钻杆装卸的关键部分。拆装手爪由液压马达、机架、丝杠、导轨、左滑块、右滑块、连杆、抓手、加强杆及若干销轴组成。利用液压马达驱动带动丝杠旋转，控制机械手抓取力的大小保证抓取精度和快速性。液压马达带动丝杠旋转，丝杠左半部分为左旋丝杠，右半部分为右旋丝杠，左旋螺母和右旋螺母沿丝杠相向或背离运动，带动连杆转动，进而带动手爪运动，实现机械手爪对钻杆的抓取和释放1011。其机械原理图如图1所示。图中 1.液压马达 2.联轴器 3.左旋螺母 4.丝杠 5.右旋螺母 6.连杆 7.手爪 8.机架2.2 高效稳定的设计理念(Efficient and Stable Design Concept)本方案采用履带车移动，保证了整体稳定性，同时方便装载后前往工作面，上部使用机械臂传动，多自由度可以使得该机器人更容易适应多变的环境和准确抓取钻杆，增加了性能的保障，前端的机械爪抓取力量足够大，可以使得被抓去的目标更加稳定，同时安装也更加稳定。2.3维护简单的设计方案(Simple maintenance design scheme)本方案的零件组件都较为普遍，方便获得，进入工作面之前就可以日常维护，考虑到工作面环境较为严酷，应该保持一定的频率进行检修维护保养以避免机械损坏和发生意外12。1)操作人员和维修和检修人员，应当以自己就是操作者的态度，始终按照规定操作，用心保养，用严谨的作风和正确的操作保护好设备。保证维护与修建并行，同时相对更加注重维护。严格执行岗位责任制，实行设备包机制，确保在用设备台完好。2)对于所有的设备，对应的操作人员应该通过岗前培训和学习培养，做到懂用途、性能、结构；会操作、会保修养护、会检修故障，同时也有三个对应的权力，即：有权禁止其余人等擅自使用本省使用的对应设备；不布置防患举措或着未经主管部门研究审核批准就超负荷操作设备，有权制止使用：发现设备运行不灵，超过规定期限期仍然不检查修护，安全保障装置的各项指标不符合相应规程应当立即上报上级部门，如对应人等未立即处理或采取应对举措，有权禁止对该设备的使用。3)操作人员，必须做好下列各项主要工作：（1）正确学会设备运行的方式，牢记正确的操作规程，以严格的要求要求自己在启动前仔细准备，启动中仔细检查，停止后妥善处置，运行中正确调试，严肃按照指标进行操作，超压、超温、超负荷、超速运行都是严重违规的行为。（2）精心维护、严格执行巡回检查，对设备仔细敲打听声音比对多台设备，同时擦净油污污渍等便于观察表面及零件的完好，也要注意气温，是否有设备异常导致的异味，随身带上扳手、红外探伤器、抹布等。应该按照既定的检查路线多次检查，仔细检查白天运行的设备，及时发现可能存在的问题，一旦发现立即解决，便于一些隐患的排查。当然，设备的防腐、润滑和清洁。保持附件、组件及零件工具的完整可使用。（3）了解并完全掌握有关设备故障的预防、起停判断和紧急处理措施，确保安全防护装置的安全可靠。 4）出台完备的章程来规范操作，使得维护人员可以定期切换，配合检修人员完成设备的检测维修环节，让设备可以一直处于一个比较好的状况，确保了设备可以随时运作，对备用设备要定时盘车，搞好防爆、防冻、防凝等工作。5）操作人员仔细严谨撰写设备运作记录、故障记录，同时完善操作日志。6）要常打扫卫生，保证设备和环境干净整洁少粉尘，做到缝沟可以看至底部、轴表面可有光反射、整体设备无污渍灰尘覆盖、门窗以及玻璃明亮干净。7）搞好设备润滑。8）操作人员在交接班时必须严格按照规章制度来交接，仔细检查设备仪器的各项指标与状况13。2.4 本章小结(Summary of this chapter)介绍了基本设计特点和设计理念与相关的维护要求。近现代这些年来，经济全球化的趋势愈发凸显，各个国家之间经济贸易交换频繁，自然资源交换自然也会多，例如出口石油稀土天然气等自然资源，但这样交换资源快速发展很大程度上也加速了石油、煤炭和天然气等能源物质的消耗，随着资源消耗的增加，供需关系发生变化，需求大大增加，自然会让人们加大能源开采和开发，同时努力寻找新能源，但未找到安全可靠的新能源之前，目前的资源消耗必然越来越快，然而整个地球范围内便于开采的资源必然是有限的，因此在开采程度加深的同时，石油煤矿等便于开采的安全可靠资源必然越来越少，荒漠、山区、近海甚至深海在未来必将成为人们开采的主阵地。在打井的过程中，性能优良的钻杆不仅能降低钻井过程中的成本，还能极大地提高钻井的效率。因此现在的钻井工程对钻杆的品质提出越来越高的要求。目前在中国国内西部一些偏远的沙漠中，陆地钻井工作面深度已经达到了9300多米，而在一些欧洲国家，它的矿井工作面的深度已经超过11000米。而在增加钻井深度的同时，增大的钻杆所传送的扭矩也是必然的，自然对钻杆选材性能的要求也会提高。在钻探推进的过程中，尤其在海洋平台钻井推进的过程中，一旦由于钻杆的材料性能不够导致质量问题的发生，从而使得下一步的生产过程无法继续，那么在当时的情况下对于开采方的损失非常之大，甚至每天的经济损失粗略估计就可成百万计数。我们转而看中国西部的山地区域，地下油气矿业储备资源极为丰富，但是那里有害气体往往有相对较多。这些有害气体大多数可以溶化于地下水中，这样一来地区的水质往往会比较差且有一定的腐蚀能力，从而会对矿用设备的维护有较大的危害，自然对钻杆的破坏也不可避免，一旦钻杆被腐蚀破坏，它就会更容易发生刚性疲劳，一旦发生就会出现钻杆断裂甚至碎裂的严峻情况，这是在工作面发生这种事后果将非常严重。为了避免这类严重事故的出现，提升有效产能，开采方相对来说期望供应商能够提供安全可靠，材质优越的钻杆来面对严峻的地理条件。目前国内的制造业蓬勃发展，因此国内生产的矿用钻杆，其质量和性能基本能够满足矿用钻井的需要，单独对比欧美等发达国家的科研技术，生产出的钻杆质量有很大的差距。143履带小车的设计计算3 履带小车的设计计算3 Design and Calculation of Tracked Trolley3.1 结构设计方案(Structural design scheme)图3-1 总体结构示意图Fig. 3-1 general structural diagram1驱动轮 2.履带 3.托轮 4.台车架 5.支重轮胎6.弹簧锁7.导向轮液压泵带动马达转动，马达轴与驱动轮直连一起转动，驱动轮转动使得履带带动整个底盘开始移动，中间设计了一个缓冲装置。如果履带松动，弹簧会伸长，保证履带不会滑落，如果履带过紧，弹簧收缩，保证履带不会变形14。3.2 结构参数计算(Calculation of structural parameters)3.3.1选择液压马达液压马达驱动有两种选择。第一种是选择高速小扭矩马达，高速小扭矩马达的整体尺寸小，质量轻，但马达的价格高。第二种是选择低速大扭矩马达，低速大扭矩马达传动简化，价格低，但马达体积大，质量大。对比两种选择，考虑履带式减震坦克小车的履带底盘整体结构，为了达到需要的速度，故选取高速小扭矩马达较为合理。假设驱动轮角速度为表示履带式减震坦克小车驱动轮的运动时角速度；V 表示履带式减震坦克小车设定的速度；R 表示履带式减震坦克小车驱动轮的半径。因为设计的速度V=10km/h，设计中履带轮半径R=500mm得到=5.5rad/s设驱动轮转速为n表示履带式减震坦克小车驱动轮的转速；表示履带式减震坦克小车驱动轮的角速度。得到n=53r/min选用低速大扭矩马达是合理的计算工作载荷力矩 表示履带式减震坦克小车的低速大扭矩马达的工作载荷力矩；表示摩擦系数。T1=122.5Nm计算轴径磨擦力矩表示履带式减震坦克小车马达轴径的摩擦力矩。T2=0.74 Nm计算马达的总负载力矩T=T1+T2T表示履带式减震坦克小车马达的总负载力矩。T=123N.m=123行走马达排量Q=2TPa Q表示履带式减震坦克小车马达的排量；表示履带式减震坦克小车马达的工作效率。选取Pa=22.5MPaQ=0.4L/r查表选取邦力GM2420系列，其参数如下：表3-1 GM2-420马达参数表型号理论排量(ml/r)额定压力(MPa)最高压力(MPa)额定扭矩(n.m)持续转速最高转速(r/min)重量（kg）GM2-420425253516580.7750750513.3.2 选择液压泵根据转速n=531r/minq=Qnq表示履带式减震坦克小车驱动轮上每台马达的流量；Q表示履带式减震坦克小车马达的排量。计算得每台马达所需流量q=22L/min计算整个系统需要的总流量Q2q Q=55L/min计算系统最大功率W=PQ W表示履带式减震坦克小车系统的最大功率。W=37kw额定功率W=27kw根据计算结果选取上海液压泵厂生产的XM-F40参数如下：表3-2 液压泵参数表型号理论排量(ml/r)额定转速(n/min)最高转速(n/min)额定转速(n/min)额定压力(MPa)输入功率扭矩(n.m)重量（kg）XM-F40281980375031.53538120293.3.3设计驱动轴我选择碳钢来制造驱动轴，主要原因是因为碳钢相较于其他材料强度适合，而且经过适当的热处理后可以更加坚硬耐磨不容易变形，保证了驱动轴有较长的使用寿命。综合考虑产品质量与经济成本，选择45钢来做驱动轴是非常合适的。（1）确定各段轴径及长度：马达所用的输出轴直径是36，根据输出轴直径，设计各轴段的直径，设计的结果如下图：图3-2 驱动轴（2）轴上零件的定位为了保证轴上的零件在任何正常运作的情况下都处于正确的位置，不随着所受外力影响移动，所以需要对轴上零件进行轴向定位和周向定位。我选择使用轴肩和轴承端盖来定位用来保证轴在轴向位置的准确性。周向定位主要是用来避免轴上的零件与轴之间相对转动，从而导致内部损坏。我选择用平键来定位，根据轴径确定键的参数。3.3.4设计驱动轮和导向轮一般驱动轮和履带使用节销式或节齿式这两种啮合方式。本次设计我选择使用节销式啮合。计算驱动轮节圆半径 Dq=t/（sin180Z）T表示履带式减震坦克小车履带节距；Z表示驱动轮上的齿数。经过计算得驱动轮的直径为50mm，履带节距为60mm，履带总重量为300kg，履带采用组合式履带。计算导向轮直径 Dd=（0.80.9）Dq D表示履带式减震坦克小车履带轮的直径。经过计算得导向轮直径为计算性能参数（1） 履带式减震坦克小车的行驶速度（2）爬坡能力履带底盘能够通过非常大的坡度，可通过理论分析进行核算来选定。履带底盘爬坡受到的阻力有很多种，包括履带底盘的重量在沿斜坡向下的分力，履带底盘在运动过程中受到的运行阻力，履带内部的阻力。计算履带底盘自重在斜坡方向的分力 Wp=Gsin G表示履带式底盘的自重 表示坡度角计算运行阻力Wy=0.12Gcos计算履带的内阻力Wn=0.06G 最大牵引力为T，则T应该不小于所有阻力的和。除此以外，为了能够真正的通过斜坡，还需要在移动时不打滑。 表3-3 履带与地面的附着系数Table 3-3 Adhesion Coefficient between Tracks and Ground路面地质混凝土干粘土压实粘土干沙土坚实土路0.450.900.700.300.90路面地质混凝土干粘土压实粘土干沙土坚实土路0.120.700.250.500.60 联系实际从表中选取附着系数为0.06，经过计算得爬坡能力=30(4)接地比压需要尽量小机器运动的通过性和工作的稳定性对履带式底盘的承载能力有极大影响。平均接地比压对于履带式底盘来说非常重要，影响底盘的整体承载能力，主要受地面条件、尺寸等因素影响。在履带式底盘结构合理整体稳定的情况下尽量取小值，以保证适应更加复杂的工作环境。(5)设计驱动轮和引导轮轴本次设计我直接将马达安装在驱动轮内。既保证了保护马达，又节约了底盘空间，降低了底盘重量。驱动轮齿形如下图所示：图3-3 驱动轮齿形引导轮对称设计，轴的外形结构完全对称，采用法兰连接，用螺栓在外面进行固定。为了防止油的泄露，我在轴径两端分别开槽，可以安装密封圈，小槽尺寸是88.5。其结构如下：图3-4 引导轮轴安装引导轮时采用法兰固定。轮体分为蜂孔式和箱体式两种。我选择使用蜂孔式轮体，与箱体式相比较，蜂孔式能够更加节约材料，减少生产成本，而且无更多技术要求，容易制造出来。因此我选择使用蜂孔式，经过计算蜂孔直径5mm，中间钢板厚8mm，符合设计要求。设计支重轮和托轮支重轮是用来支承整个机器的，同时各个支重轮平均分担整个机器的重量，还能够防止履带的横向滑落。支重轮的设计需要综合驱动轮与履带的结构来考虑。我设计的支重轮边缘有规则的突起部分，可以将履带卡在上面，同时保证履带不会横向脱落。我选择使用双轮缘支重轮。关于支重轮轴的支承的方式，我选择简支支承。简支支承使得支重轮轴封住了机架下面的开口，增加了底盘整体的刚度。支重轮可使用滚动轴承或滑动轴承与机架连接。滑动轴承工作时非常的平稳可靠，而且噪音非常小，并且滑动表面被润滑油分隔开，大大减少了摩擦和零件的磨损。滚动轴承是将滑动摩擦转化为滚动摩擦，有效减少了摩擦阻力，同时维修非常方便。综合考虑，我选择使用滑动摩擦，结构简单，容易制造，安全可靠。托轮是用来托住履带避免履带下垂，基本上支重轮差不多。托轮转动是因为履带移动过程中与托轮之间有摩擦力，带动了托轮的转动。所以托轮的润滑和密封应可靠，尽量减少与轴之间的摩擦力。设计履带缓冲装置张紧轮加上张紧调度调整机构再装上缓冲弹簧构成本设计的履带张紧缓冲装置。它的功用是张紧履带、防止履带横向滑脱以及在行走系统卡入石块时能减小壳体和履带的应力，驱动轮后置时又能缓冲和前方冲击。整体式台车一般采用滑动式张紧机构，滑块滑动式张紧机构的张紧轮轴支座通常通过弹簧坐在小滑板上，为了有效和缓冲滑块和滑板之间的冲击，安装后弹簧最好能将滑块抬起以消除导向板和钩之间的间隙。张紧轮多数是铸钢件 ，材料为ZG45、ZG50Mn，小型拖拉机上也采用球墨铸铁或冲压件。 履带是通过驱动轮驱动，围绕驱动轮，支重轮，托轮，导向轮的柔性链环。履带分为金属，橡胶，橡胶金属履带。橡胶履带是一种在橡胶带中嵌入金属及钢丝的履带，橡胶履带在运动时噪音小，对路面破坏小，且在总体上比金属履带轻。表3-4 履带底盘的主要技术参数Table 3-4 Main Technical Parameters of Crawler Chassis额定功率轨距节距履带板宽接地长度外形尺寸37kw1100130260170021451238585234小臂结构的设计4 Design of ArmStructure and Calculation of Telescopic Cylinder for Mechanical Arm4.1小臂结构的设计(Design of Arm Structure)机械手的主要执行组件就是手臂组件，它的作用是支撑腕部和手部并作上抬外展内收等空间运动15。臂部运动的目的一般是把机械手爪送至空间内手臂运动范围的任意一个位置处。而此设计的臂部结构上的悬臂梁的导向杆使用的是无缝钢管，支撑板使用的也是无缝高精钢管，这样一来臂的刚度就可以大大提升，同时机械臂的自重也减少了很多，同时还可以布置驱动装置或者油管路在空心钢管的内部，这会使得整体的结构更加紧凑，臂部的变形不仅与自身刚度有关，而且同支撑距离有很大的关系，其结构如图4.1 图4.1 小臂示意图手臂作水平伸缩时所需的驱动力：式中： 水平伸缩时 -导向装置摩擦力矩这种结构在启动时导向处的摩擦阻力矩较大，导向 装置的结构采用双向导杆，其导向截面形状是圆柱 截面。结构如图，这里取水平极限位置即小臂完全伸出时，初定活塞杆长 为550毫米，直径D=28 毫米。则杆的质量：先估取导向杆的质量为5kgmm式中： a导向杆的支撑长度(厘米)； 当量摩擦系数；圆柱面：=（1.281.58） 取 =1.5 ；摩擦系数对于静摩擦且无润滑，钢对铸铁取=（0.190.31） =0.25； L手臂参与运动零部件的总质量重心到支撑前端的距离（厘米）； -参与运动的零件的总重（含工件的重量）(千克)；kg-密封装置处的摩擦阻力 。在压力油液驱动活塞运动时，各密封装置处摩擦阻力之和为。 当油缸的工作压力不大于100kg/，活塞杆的直径为活塞油缸直径的一半采用o型密封圈时， 伸缩油管处的摩擦阻力为： 式中：-密封圈与配合面的摩擦系数，主要与密封圈的形式，材料及之配合接触的零件材料和油液压力有关。 对于0型圈，当油液压力P 1528=420mm 式中： A活塞杆横截面的面积和；D活塞杆横截面的直径；I 为活塞杆横截面的惯性半径（cm）；J活塞杆横截面对中性轴的惯性矩（）。 cm 式中：-活塞杆的计算柔度（柔度系数）； l活塞杆计算长度（cm）； -长度折算系数（亦称约束影响系数），一端固定一端铰支时，=0.7 所以： 式中： -特定的柔度值；-为活塞杆的流动极限，查表 a=4690kg/，b=26.20kg/。对于 的压杆，只会因强度不足而破坏，并不会失稳，故对短压杆只进行强度计算。 式中：P-活塞杆上所受的总机械载荷（kg） d活塞杆的直径 -活塞杆材料的许用压力 kg/-活塞杆材料的抗拉强度 kg/n-为安全系数，一般取n不小于1.4，活塞杆材料一般用碳钢=10001200 kg/ 则 ： kg/ 4.3导向杆的强度校核(Strength Check of Guide Rod)当导向杆伸出到最大状态时，如果强度足够也就满足要求，此时的受力根据力平衡公式: N1-N2+Gg/2=0 N1150=GgL/2 L手臂参与运动零部件的总质量重心到支撑前端的距离，前边以算出L=784.5mm 、G=42.14 求得：N1=1080NN2=1286.5N受力如图4.2：图4.2 导向杆弯矩图由图知最大弯曲正应力发生在c处，由正应力条件： Pa式中为抗弯截面系数。由查表=170MPa 所以强度满足条件。4.4本章小结(Summary of this chapter)本章介绍了通用关节式机械手小臂各部分的计算与分析，分别为伸缩油缸，活塞杆和导向杆等结构，并进行了计算与校核，在使用中能满足要求。近现代这些年来，经济全球化的趋势愈发凸显，各个国家之间经济贸易交换频繁，自然资源交换自然也会多，例如出口石油稀土天然气等自然资源，但这样交换资源快速发展很大程度上也加速了石油、煤炭和天然气等能源物质的消耗，随着资源消耗的增加，供需关系发生变化，需求大大增加，自然会让人们加大能源开采和开发，同时努力寻找新能源，但未找到安全可靠的新能源之前，目前的资源消耗必然越来越快，然而整个地球范围内便于开采的资源必然是有限的，因此在开采程度加深的同时，石油煤矿等便于开采的安全可靠资源必然越来越少，荒漠、山区、近海甚至深海在未来必将成为人们开采的主阵地。在打井的过程中，性能优良的钻杆不仅能降低钻井过程中的成本，还能极大地提高钻井的效率。因此现在的钻井工程对钻杆的品质提出越来越高的要求。目前在中国国内西部一些偏远的沙漠中，陆地钻井工作面深度已经达到了9300多米，而在一些欧洲国家，它的矿井工作面的深度已经超过11000米。而在增加钻井深度的同时，增大的钻杆所传送的扭矩也是必然的，自然对钻杆选材性能的要求也会提高。在钻探推进的过程中，尤其在海洋平台钻井推进的过程中，一旦由于钻杆的材料性能不够导致质量问题的发生，从而使得下一步的生产过程无法继续，那么在当时的情况下对于开采方的损失非常之大，甚至每天的经济损失粗略估计就可成百万计数。我们转而看中国西部的山地区域，地下油气矿业储备资源极为丰富，但是那里有害气体往往有相对较多。这些有害气体大多数可以溶化于地下水中，这样一来地区的水质往往会比较差且有一定的腐蚀能力，从而会对矿用设备的维护有较大的危害，自然对钻杆的破坏也不可避免，一旦钻杆被腐蚀破坏，它就会更容易发生刚性疲劳，一旦发生就会出现钻杆断裂甚至碎裂的严峻情况，这是在工作面发生这种事后果将非常严重。为了避免这类严重事故的出现，提升有效产能，开采方相对来说期望供应商能够提供安全可靠，材质优越的钻杆来面对严峻的地理条件。目前国内的制造业蓬勃发展，因此国内生产的矿用钻杆，其质量和性能基本能够满足矿用钻井的需要，单独对比欧美等发达国家的科研技术，生产出的钻杆质量有很大的差距。因而大面积提高国内矿用钻杆生产企业的技术是必须的，必须在技术上认识到与国外企业的差距，虚心学习。5 俯仰缸的设计和计算5 俯仰缸的设计和计算5 Design and Calculation of Pitching Cylinder5.1 俯仰结构的设计和计算( Design and Calculation of Pitching Structure) 该机械手的俯仰结构使得该机械手的手臂部分可以进行俯仰运动，而该动作的实现正是依靠了连杆机与活塞缸的勾联。手臂部分进行俯仰运动所使用的活塞缸正好位于手臂部分的正下方，而它的手臂和活塞杆采用的连接方式是铰链连接，而缸体则让立柱与尾部耳环连接16。驱动力矩的计算如图6.1有：驱动手臂仰俯的驱动力矩，应克服手臂等部件的重量对回转轴线所产生的偏重力矩和手臂子在起动时所产生的惯性力矩以及各回转副处摩擦阻力矩，一般有滚动轴承在立柱连接轴与手臂座处，而它的摩擦阻力矩相对比较小，同时在铰链处的配合直径页相对比较小，而相对转动的转角相对亦小，故摩擦阻力矩亦很小，均可忽略不计。则力矩平衡方程式可简化成： (5.1)式中：手臂作俯仰运动，在起动时的惯性力矩（）； 手臂等部件的重量对回转轴线的偏重力矩，（）,当手臂上仰时为正，下俯为负。 (5.2)估算支撑板的质量：kg =35.9计算起动惯性力矩 ： 若机械手的等速转动角速度为，起动时间为t，则起动惯性力矩公式为： (5.3)式中：参与手腕的部件对转动轴线的转动惯量； -工件对手腕转动的转动惯量。设机械手的等速转动角速度为=25 / s，起动时间为t=0.4s,则：驱动力矩：图5.1 腕部受力示意图当手臂于水平成仰角和俯角时，则作用在活塞上的驱动力与手臂仰角有关，手臂上仰时公式取加号，并且在计算摆动时主要考虑上仰时的情况，只要是上仰条件满足，下俯一定能满足。当手臂处于仰角状态时： (5.3) 式中： a,b,c为机械手的手臂的结构尺寸（cm） P作用在铰接油缸活塞上的驱动力（kg） -驱动手臂仰俯的驱动力矩（）设b=0.21m a=0.21m =30 c=0.41m 所以：kg / 确定油缸的结构尺寸： (5.4)式中：p油缸的工作压力 (/)； d活塞的直径(cm)；D油缸内径(cm)；选取p=35/ ；d=0.5D 。cm 查表取D=5cm 。油缸的内径D确定后，由强度条件计算所需的最小的油缸壁厚，依据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： (5.5)式中计算压力，其值比油缸的最大工作压力P大2030，即： =（1.21.3）P (5.6)D为油缸内径cm；油缸材料的许用应力 kg/ 。 (5.7)其中为油缸材料的抗拉强度（kg/）； n为安全系数，一般取n=35 =600 kg/（铸铁） cm取 =12mm 。活塞杆稳定性的校核：L=300mm1525=375mm 所以满足。5.2 缸盖螺钉的强度校核(Strength Check of Cylinder Head Screw)油缸内的工作压力较大，为了保证连接的紧密性，缸盖共用4个M6螺钉 (5.8) (5.9) (5.10)式中：p为油缸的工作压力（/)； Z为螺钉的数目；,分别为工作载荷，危险剖面承受的拉力，和剩余锁紧力。为了紧密连接：=k (5.11)k=1.51.8,现选取 k=1.5 则：kg螺钉的强度条件为：式中：S为螺钉的螺距； (5.12)式中： 为许用拉应力为螺钉材料的流动极限；n为安全系数，一般n=1.31.6，取n=1.5。螺钉的材料选用45号钢，=3600/，所以：所以 强度足够。5.3 本章小结(Summary of this chapter)本章介绍了俯仰缸各部分的计算与分析，分别为俯仰结构和缸盖螺钉的结构，并进行了计算与校核，在使用中能满足要求。近现代这些年来，经济全球化的趋势愈发凸显，各个国家之间经济贸易交换频繁，自然资源交换自然也会多，例如出口石油稀土天然气等自然资源，但这样交换资源快速发展很大程度上也加速了石油、煤炭和天然气等能源物质的消耗，随着资源消耗的增加，供需关系发生变化，需求大大增加，自然会让人们加大能源开采和开发，同时努力寻找新能源，但未找到安全可靠的新能源之前，目前的资源消耗必然越来越快，然而整个地球范围内便于开采的资源必然是有限的，因此在开采程度加深的同时，石油煤矿等便于开采的安全可靠资源必然越来越少，荒漠、山区、近海甚至深海在未来必将成为人们开采的主阵地。在打井的过程中，性能优良的钻杆不仅能降低钻井过程中的成本，还能极大地提高钻井的效率。因此现在的钻井工程对钻杆的品质提出越来越高的要求。目前在中国国内西部一些偏远的沙漠中，陆地钻井工作面深度已经达到了9300多米，而在一些欧洲国家，它的矿井工作面的深度已经超过11000米。276机械臂大臂的结构设计和计算6 机械臂大臂的结构设计和计算6 Structural Design and Calculation of Big Arm of Mechanical Arm6.1 大臂回转缸的设计计算(Design and Calculation of Boom Rotary Cylinder)机械手的大臂即机身是手臂得以支撑的重要组件，又是带动其运动的部件，主要是实现臂部的升降、回转、仰俯等运动的机构。由于该方案采用的驱动装置、传动装置和导向装置各异，整体机身的结构布局也有差异，所以此处采用回转缸置于升降缸之上导向杆布置在活塞缸内部的机身结构。手臂回转所需驱动力矩：采用回转油缸实现手臂回转运动。驱动手臂回转的力矩，应该与手臂起动时所产生的惯性力矩以及各密封装置处的摩擦阻力矩，回转油缸的压力矩相平衡17。（轴承处的摩擦力矩忽略不计）则有： (6.1) 图6.1 手臂受力分析式中：-密封装置处的摩擦力矩；（如图7.1）； (6.2)-动片外径与油缸壁密封装置处的摩擦阻力矩，-动片侧面与缸体的密封摩擦阻力矩。 (6.3) (6.4)取b=0.08m ；=0.006m ；R=0.06m ；r= 0.03 ；= 0.5 ： 手臂起动时所产生的惯性力矩： (6.5) 式中：回转缸的动片的角速度变化量，在起动的过程中=（弧度/秒）； 起动的时间； 手臂回转部件(包括工件)对回转轴的转动惯量。=30.8 设等角速度=40/s ；起动时间为t=1s ；则：kg/m-回转油缸的回油腔的背反压力kg/cm （6.6）式中：回转油腔压力，一般取=0.2P=0.235=7 kg/kg/m 所以驱动力矩： kg/m 摆动油缸内径的计算： (6.7)式中：M作用在动片(即输出轴)上的外载力矩 (kg)；P回转油缸的工作压力（） 取P=35 ；d输出轴与动片连接处的直径（厘米）； b动片的宽度（厘米），为减小动片与输出轴的连接螺钉所受的载荷及动片的悬伸长度，选择动片宽度（即油缸长度）可按2b/(D-d) 2 选用（cm）初取b=8 cm；D回转油缸的内径。 cm查表取D=12 cm。流量的计算：油缸的内径D确定后，通过强度条件计算后我们得到的最小的油缸壁厚，根据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： (6.8)式中 计算压力，其值比油缸的最大工作压力P大百分之二十到三十，即 =（1.21.3）P (6.9)D油缸内径 cm；油缸材料的许用应力 kg/， kg/ ，其中为油缸材料的抗拉强度（kg/） 。 N 安全系数，一般取n=35 =600 kg/（铸铁） cm现根据结构需要取 =25 毫米选择键并校核强度：转轴的直径为60毫米，选键为：键高h键宽b=1118（mm）,选取长度为50毫米。如果载荷在键的工作面上均匀的分布，普通平键连接的强度条件为： (6.10)式中： T传递的转矩（Nm）；k键与轮毂槽的接触高度，k=0.5hmm ；l键的工作长度，单位为毫米 ； 圆头平键l=l-b毫米；d转轴的直径(毫米) -许用的积压应力兆帕 ，代入数据：查表：键的材料选用钢有轻微冲击时，=100120 MPa 故键的强度满足要求。6.2 油缸定片连接螺钉的校核(Check of Connecting Screw for Cylinder Stator)图6.2 定片与固定轴的螺钉连接方式用螺钉连接定片与固定轴的方式如上图所示:联接螺钉的数目一般为偶数，安装时要求对称，定位则要求有两个销。他起到的作用有：让固定轴和定片的过渡配合紧密相连，务必严丝合缝，这时当压力油通过油腔时，定片会因为油压的的作用下产生一个合成液压力矩，而反作用在动片上的是克服输出轴上所承受的的外载荷力矩，此时螺钉的连接作用凸显出来，只要连接还在，则被连接的面就不会产生相对滑动，为了达到这样的目的，就必须在安装时拧紧螺钉并仔细检查，这样才好产生摩擦力在连接件的过渡配合表面之间来传递动力。根据定片所承受的力矩，它的平衡条件如下： (6.11)即得： kg (6.12)式中： Q每个螺钉的预加锁紧力（kg）； b动片的宽度（cm） ，这里b=8cm ； p回转油缸的工作压力（kg/） ，这里p=35 kg/； D动片的外径，即回转油缸的内径（cm） ，这里D=12cm；d动片与轴配合处的直径（cm）；f被联接件配合面间的，摩擦系数（钢对钢取f=0.15 ）；Z螺钉的数目 ，这里Z=8 。将以上的数据带入公式：kg选M8 的螺钉，则小径 d=D-1.0825P (6.13)P为螺距 P=1.25mm d=6.647mm 螺钉的强度： ；要求，式中： -许用拉应力 ；-螺钉材料的流动极限(kg/)，取材料为40cr ；=65009000 (/) 。n为安全系数，n=1.22.5所以：，条件满足。6.3 机械手大臂装配的升降缸的设计和计算(Design and Calculation of Lifting Cylinder for Manipulator Arm Assembly)合理布置悬臂式机械手的起传动件、导向杆和定位件，来降低对升降支撑轴线上产生的偏心矩，防止设备自锁。油缸对于活塞的推力使得手臂上升，它除了需要克服惯性力、摩擦阻力、背压造成的阻力外，还需克服自重和被抓物体的重量18。其驱动力的计算公式为： (6.14) (6.15) (6.16)kgkgkg所以： kg大臂起动时受到的平均惯性力可近似为： (6.17)式中：参与运动的零件的总质量（kg）（包括被抓工件的质量）； 速度的变化量（m/s）； =0.12m/s 起动过程的时间（s）； =0.01s g重力加速度。 g=9.8则：kg工作阻力：=20kg； 由前边的计算取 =0.03=0.05带入公式：kg确定油缸的结构尺寸： (6.18)式中：p油缸的工作压力 (kg/) ； d活塞的直径(cm) ； D油缸内径(cm) 。选取p=10kg/ ，d=7cm cm 查表取D=10cm 流量的计算：油缸的内径D确定后，由强度条件计算所需的最小的油缸壁厚，依据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： cm (6.19)式中：-计算压力，其值比油缸的最大工作压力p大2030，即: =（1.21.3）p (6.20)D-油缸内径 cm；-油缸材料的许用应力 ； / (6.21)-油缸材料的抗拉强度（/）； n-安全系数，一般取n=35 。 =600 kg/（铸铁） cm 根据结构取 =15mm 6.4 机械手的不自锁的条件( Conditions for Non-Self-Locking of Manipulators)偏重力矩即手臂及其上所支撑的全部件的重量（作用在各自重心上）对手臂回转轴的静力矩，用表示，手臂前伸时则偏重力矩为最大，因手臂在总重量G的作用下，有一顺时针方向倾斜的趋势，而导套却阻止手臂这种趋势，导套对立柱的作用力，如图7.3根据立柱的力平衡有： (6.22) (6.23) (6.24) (6.25) (6.26)设备不能自锁的必要条件就是使得升降立柱可以在导套内自由下落，从力的平衡的角度来看，则是： (6.27)所以: 式中:f为摩擦系数，大多数情况下钢对铁的滑动摩擦系数为0.10，但此处需要考虑到其他各个不可忽视的摩擦副的作用（比如升降导向装置的摩擦面、升降缸壁和活塞、活塞杆以及缸盖），f 的取值可以取到相对较大的数值，所以此处取f为0.15。 图6.3 升降立柱的力分析-为偏重力臂即手臂等部件总重量的重心到立轴轴线间的距离（厘米）。mm所以：mm300mm，所以不会自锁。6.5 本章小结(Summary of this chapter)本章介绍了通用关节式机械手大臂各部分的计算与分析，分别为大臂回转缸、油缸定片联接螺钉、大臂伸降缸的结构和机械手的不自锁的条件19，进行了计算与校核，在使用中能满足要求。近现代这些年来，经济全球化的趋势愈发凸显，各个国家之间经济贸易交换频繁，自然资源交换自然也会多，例如出口石油稀土天然气等自然资源，但这样交换资源快速发展很大程度上也加速了石油、煤炭和天然气等能源物质的消耗，随着资源消耗的增加，供需关系发生变化，需求大大增加，自然会让人们加大能源开采和开发，同时努力寻找新能源，但未找到安全可靠的新能源之前，目前的资源消耗必然越来越快，然而整个地球范围内便于开采的资源必然是有限的，因此在开采程度加深的同时，石油煤矿等便于开采的安全可靠资源必然越来越少，荒漠、山区、近海甚至深海在未来必将成为人们开采的主阵地。在打井的过程中，性能优良的钻杆不仅能降低钻井过程中的成本，还能极大地提高钻井的效率。因此现在的钻井工程对钻杆的品质提出越来越高的要求。目前在中国国内西部一些偏远的沙漠中，陆地钻井工作面深度已经达到了9300多米，而在一些欧洲国家，它的矿井工作面的深度已经超过11000米。而在增加钻井深度的同时，增大的钻杆所传送的扭矩也是必然的，自然对钻杆选材性能的要求也会提高。在钻探推进的过程中，尤其在海洋平台钻井推进的过程中，一旦由于钻杆的材料性能不够导致质量问题的发生，从而使得下一步的生产过程无法继续，那么在当时的情况下对于开采方的损失非常之大，甚至每天的经济损失粗略估计就可成百万计数。我们转而看中国西部的山地区域，地下油气矿业储备资源极为丰富，但是那里有害气体往往有相对较多。这些有害气体大多数可以溶化于地下水中，这样一来地区的水质往往会比较差且有一定的腐蚀能力，从而会对矿用设备的维护有较大的危害，自然对钻杆的破坏也不可避免，一旦钻杆被腐蚀破坏，它就会更容易发生刚性疲劳，一旦发生就会出现钻杆断裂甚至碎裂的严峻情况，这是在工作面发生这种事后果将非常严重。为了避免这类严重事故的出现，提升有效产能，开采方相对来说期望供应商能够提供安全可靠，材质优越的钻杆来面对严峻的地理条件。目前国内的制造业蓬勃发展，因此国内生产的矿用钻杆，其质量和性能基本能够满足矿用钻井的需要，单独对比欧美等发达国家的科研技术，生产出的钻杆质量有很大的差距。因而大面积提高国内矿用钻杆生产企业的技术是必须的，必须在技术上认识到与国外企业的差距，虚心学习，刻苦钻研，务必找到差距所在之处，从而艰苦奋斗，努力拿下技术关口，追赶国外先进的矿用钻杆生产技术，特别是在钻杆选材、钻杆的结构方面钻研突破，力争尽快赶上国外的生产水平。近现代这些年来，经济全球化的趋势愈发凸显，各个国家之间经济贸易交换频繁，自然资源交换自然也会多，例如出口石油稀土天然气等自然资源，但这样交换资源快速发展很大程度上也加速了石油、煤炭和天然气等能源物质的消耗，随着资源消耗的增加，供需关系发生变化，需求大大增加，自然会让人们加大能源开采和开发，同时努力寻找新能源，但未找到安全可靠的新能源之前，目前的资源消耗必然越来越快，然而整个地球范围内便于开采的资源必然是有限的，因此在开采程度加深的同时，石油煤矿等便于开采的安全可靠资源必然越来越少，荒漠、山区、近海甚至深海在未来必将成为人们开采的主阵地。在打井的过程中，性能优良的钻杆不仅能降低钻井过程中的成本，还能极大地提高钻井的效率。因此现在的钻井工程对钻杆的品质提出越来越高的要求。目前在中国国内西部一些偏远的沙漠中，陆地钻井工作面深度已经达到了9300多米，而在一些欧洲国家，它的矿井工作面的深度已经超过11000米。而在增加钻井深度的同时，增大的钻杆所传送的扭矩也是必然的，自然对钻杆选材性能的要求也会提高。在钻探推进的过程中，尤其在海洋平台钻井推进的过程中，一旦由于钻杆的材料性能不够导致质量问题的发生，从而使得下一步的生产过程无法继续，那么在当时的情况下对于开采方的损失非常之大，甚至每天的经济损失粗略估计就可成百万计数。我们转而看中国西部的山地区域，地下油气矿业储备资源极为丰富，但是那里有害气体往往有相对较多。这些有害气体大多数可以溶化于地下水中，这样一来地区的水质往往会比较差且有一定的腐蚀能力，从而会对矿用设备的维护有较大的危害，自然对钻杆的破坏也不可避免，一旦钻杆被腐蚀破坏，它就会更容易发生刚性疲劳，一旦发生就会出现钻杆断裂甚至碎裂的严峻情况，这是在工作面发生这种事后果将非常严重。为了避免这类严重事故的出现，提升有效产能，开采方相对来说期望供应商能够提供安全可靠，材质优越的钻杆来面对严峻的地理条件。目前国内的制造业蓬勃发展，因此国内生产的矿用钻杆，其质量和性能基本能够满足矿用钻井的需要，单独对比欧美等发达国家的科研技术，生产出的钻杆质量有很大的差距。因而大面积提高国内矿用钻杆生产企业的技术是必须的，必须在技术上认识到与国外企业的差距，虚心学习，刻苦钻研，务必找到差距所在之处，从而艰苦奋斗，努力拿下技术关口，追赶国外先进的矿用钻杆生产技术，特别是在钻杆选材、钻杆的结构方面钻研突破，力争尽快赶上国外的生产水平。507钻杆拆装机械手爪的设计和仿真7 钻杆拆装机械手爪的设计与仿真7 Design and Simulation of Mechanical Gripper for Drilling Rod Disassembly and Assembly7.1 工作原理及驱动力分析(Working Principle and Driving Force Analysis)手部设计时应考虑以下几个问题：1.应具有足够的握力；2.手指间应具有一定的开闭角；3.应保证棒料的准确定位；4.应考虑手指的通用性。钻杆拆装机械手爪是钻杆拆装系统中钻杆拆装系统的末端执行机构，其结构的合理性是能否完成钻杆装卸的关键部分20。拆装手爪由液压马达、机架、丝杠、导轨、左滑块、右滑块、连杆、抓手、加强杆及若干销轴组成。利用液压马达驱动带动丝杠旋转，控制机械手抓取力的大小保证抓取精度和快速性。液压马达带动丝杠旋转，丝杠左半部分为左旋丝杠，右半部分为右旋丝杠，左旋螺母和右旋螺母沿丝杠相向或背离运动，带动连杆转动，进而带动手爪运动，实现机械手爪对钻杆的抓取和释放。其机械原理图如图1所示。图中 1、液压马达，2、联轴器，3、左旋螺母，4、丝杠，5、右旋螺母，6、连杆，7、手爪，8、机架。图 1 拆装机械手爪结构简图Fig. 1 structural diagram of manipulator ofdisassembly and assembly machine由图1所示，钻杆拆装机械手爪在搬运过程中由驱动马达提供抓紧力，保证钻杆运输过程中的稳定性，但驱动力矩过大也会导致钻杆的损坏。摩擦角是所选材料的摩擦系数，与载荷大小无关。在夹取钻杆的过程中，液压马达逆时针旋转提供扭矩带动左旋螺母3左移，右旋螺母驱5右移动，手爪6合并。由图1受力分析可得： （7.1） （7.2）在拆卸钻杆的过程中，液压马达顺时针旋转提供扭矩带动左旋螺母3右移，右旋螺母5左移，驱动手爪6张开。由图1分析可知： （7.3） （7.4） 已知液压马达的转矩T可计算出所能抓取钻杆的质量G。7.2手部夹紧油缸的设计 （Design of Hand Clamping Cylinder） 手部夹紧油缸采用单作用弹簧复位缸。作用在活塞上的总机械载荷P： (7.5)式中：-工作阻力（kg）；-缸密封装置处的摩擦阻力（kg）；-弹簧的反作用力（kg）。 kg / (7.6）式中：L活塞的行程（cm）； S弹簧预压缩量（cm）； G弹簧材料的剪切模量，对于钢材G=8.1 kg/ ； d弹簧钢丝直径（cm）； D弹簧中径（cm） ；Z弹簧的有效圈数。取：d=0.6 cm D=3.6 cm Z取3 P=(0.280.5)D=8.415mmkg/当油缸工作的压力不大于100，活塞直径为油缸直径的一半时，活塞和活塞杆采用O形密封时， =0.03P (7.7)P作用在活塞杆上的推力。（kg/）P=718.8+234.8+0.03P 求得 P=982.6 kg/ kg/ (7.8)式中P为油缸的工作压力 kg/ ， 取P=35 kg/ cm 取D=6.3 cm 取d=2.8 cm （D为油缸内径，d为活塞杆的直径），经计算取油缸的长度为l=40mm流量的计算：t为活塞移动行程的时间。7.3油缸壁厚的计算（Calculation of Cylinder Wall Thickness） 油缸的内径D确定后，由强度条件计算所需的最小的油缸壁厚，依据材料力学的薄壁筒公式，油缸的壁厚可用下式计算： cm (7.9)式中： -计算压力，其值比油缸的最大工作压力P大2030，即 =（1.21.3）P (7.10)D-为油缸内径 cm；-油缸材料的许用应力 kg/ 。 / (7.11)其中为油缸材料的抗拉强度（kg/）， n为安全系数，一般取n=35 =600 kg/（铸铁） cm现取 =0.8 cm7.4 活塞杆的计算和校核（Calculation and Check of Piston Rod） 取活塞杆的长度为50mm，小于1528=420 mm。所以具有足够的稳定性，不必校核其稳定性，只需按强度校核。 (7.12) (7.13）-活塞杆材料的许用压力 kg/-活塞杆材料的抗拉强度 kg/，n-为安全系数，一般取n不小于1.4，活塞杆材料一般用碳钢，=10001200 kg/ kg/ kg/所以强度合格。7.5 机械手爪三维建模(Three-dimensional Modeling of Mechanical Claw)Adams在虚拟样机的运动学、动力学分析方面功能强大，但三维建模能力相对不足。本文利用Solideworks建立钻杆拆装机械手爪的三维模型，其结构如图2所示。图中，1、液压马达，2、左螺母，3、丝杠，4、机架，5、右螺母，6、右连杆，7、右抱爪，8、左抱爪，9，左连杆。图 2 钻杆拆装机械手爪三维模型机架采用三横梁的结构，左螺母与右螺母两侧有突出的凹槽可沿机架滑动，用来保证左右螺母不发生偏移喝转动，可以增强整体机械爪的刚度；丝杠的左侧右旋，其右侧左旋，确保丝杠旋转时，手爪的开合无碍。7.6 运动学仿真分析(Kinematic simulation analysis)7.6.1简化模型钻杆拆装机械手爪的零件比较多，在导入ADAMS后会出现很多没有相对运动的固定副，连接部件可以旋转副、滑移副和螺旋副代替，这样对模型进行合理简化既提高了工作效率又不影响机构整体的运动关系21。将模型另存为.x_t格式，导入Adams，设置单位为MMKS,即mm、kg、s，设置工作平面（Working Grid）为Global ZX，设置各部分材料为steel，设置左螺母与地面动摩擦系数0.05，静摩擦系数0.12，右螺母相同。为了方便操作，对构件进行重命名，图3为导入ADAMS中的机械手爪，其中，1-丝杠，2-左螺母3-左连杆，4-左抱爪，5-右螺母，6-右连杆，7-右抱爪。图3简化手爪三维图7.6.2 定义运动副在做完准备工作之后，利用Adams中connectors模块对各运动副进行定义，本例用到的约束类型包括：螺旋副、旋转副和移动副,各零件之间运动副等。其中左螺母与地面，右螺母与地面的移动副保证了螺母在丝杠带动下沿丝杠的水平移动22。 Adams中运动副的定义既要保证符合实际情况又要适当简化。其中，左螺母与丝杠的螺旋副输入螺距5mm，右螺母与丝杠的螺旋副螺距为-5mm，以达到丝杠旋转时两爪同时张开或合并的目的，即丝杠旋转一周，左螺母和右螺母反向各自移动5mm。运动副添加后的结果图如图4所示。7.6.3 添加驱动机械爪是利用液压马达驱动丝杠旋转，按照预定的结构把丝杠的转动转化为螺母的直线运动，因此对丝杠与地面的旋转副定义速度驱动，包括顺时针和逆时针旋转两个过程23，选择Joint Motion类型为Veclocity，定义驱动函数IF( time-3 : 600d ,600d, IF( time-6 : 0 , 0 , IF( time-9 : -600d , 0 , 0 ) ) )，添加驱动函数曲线如图5所示。在03s，马达以600/s正转，在36s，马达以600/s反转，完成一个开合循环。 图 5 驱动转速变化图 7.6.4 运动学仿真结果分析打开Adams模拟模块，设置仿真时间6S，设置仿真步长0.01S，开始仿真。对左右抱爪的旋转的角速度、角加速度及角位移的变换过程进行模拟。图6手爪角位移图图6为左抱爪与地面，右抱爪与地面铰接点的角位移图，以右抱爪为例，在三秒到六秒时，手爪逆时针旋转48度，以左抱爪为例，在零秒到三秒时,手爪在顺时针旋转48度24。本文在分析猎豹后腿骨骼和肌肉结构的基础上，设计了可跳跃仿生机器人的单腿。单腿的构造包括身体模块、大腿模块、小腿模块、脚踝模块和能量存储单元。每个接头处设计有一个储能单元。储能单元由伺服电机驱动，伺服电机驱动导杆压缩弹簧储能，弹簧能根据动作需求快速释放能量，快速改变连接结构的运动状态，实现单腿跳跃。为了实现对机器人运动的仿真分析，利用软件建立单腿模型，并将模型导入ADAMS软件进行动力学仿真。在ADAMS软件中，机器人的抓取能力是通过运动规划来实现的，给出了关节的驱动功能和脚的轨迹功能。在起飞和着陆的瞬间，获得了脚点和地面之间的接触力曲线和相应的运动参数。该工作为机器人手爪的优化设计和实际应用提供了理论支持。最近机器学习的成功导致了自主系统设计的转变，提高了现有任务的性能，并使新的应用成为可能。当开发数据收集和管理管道变得比手动行为设计更有效时，以数据为中心的方法在各种复杂的应用中获得相关性。以下工作旨在以两种主要方式提高该管道的效率:利用更强大的信息数据来源和从现有数据中提取附加信息。特别是，我们瞄准三个正交的前沿:模仿学习、领域适应和模拟转移。本研究的目的是开发一个特定的模拟程序，用于验证细胞毒性复合机器人KIRO肿瘤科，用于制备无菌单克隆抗体和抗感染药物。赋形剂配方的影响可通过模拟准确度测试和最坏情况下的赋形剂(即粘性、发泡)进行清晰测量，并允许在实际生产前修正机器人设置。校正使精确度在可接受的5%范围内。KIRO肿瘤科机器人还具有自清洁能力和结合介质填充测试的模拟能力，环境监测能够验证无菌过程，包括模拟最坏情况条件，并突出显示无法自清洁的区域，以便通过额外的手动清洁措施进行纠正。化学污染的风险是通过使用过程中的荧光染料与高风险赋形剂配方和过压小瓶来模拟的。使用模型药物模拟质量控制的可靠性，通过高效液相色谱-紫外检测确定最终浓度。最后，使用不同的生产模型来模拟生产率，显示药物类型、小瓶数量和工艺不良标准化的影响8结论8 结论8 Conclusions本项目做了自动换钻杆机器人，可以在井下自动装卸钻杆，同时移动，极大方便了工作面人员的工作，充分体现了人机合作的便利。在未来，为了提高生产率和质量，同时保持人类可持续的工作条件和环境、健康和