自動(dòng)上下料機(jī)械手設(shè)計(jì)

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1、自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì) 摘要 隨著機(jī)電一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械手的研究和開發(fā)水平獲得了 迅猛的發(fā)展并涉及到人類社會(huì)生產(chǎn)及生活的各個(gè)領(lǐng)域，特別是工業(yè)機(jī)械手在生產(chǎn) 加工中的應(yīng)用。機(jī)械手是近代自動(dòng)控制領(lǐng)域中出現(xiàn)的一種新型技術(shù)裝備， 它能模 仿人體上肢某些動(dòng)作，在生產(chǎn)中代替人搬運(yùn)物體或操持工具進(jìn)行動(dòng)作， 已成為現(xiàn) 代機(jī)械制造系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分。本次設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)自動(dòng)上下料的機(jī)械 手，該系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)平穩(wěn)，且易于控制，控制系統(tǒng)采用一般 PLC所具 有的位移寄存器和位移指令來(lái)編程。 關(guān)鍵詞：機(jī)械手，液壓驅(qū)動(dòng)，控制系統(tǒng) 1緒論 1 2工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 2 2.1 工

2、業(yè)機(jī)械手的組成 2 2.2 上下料機(jī)械手的工作原理 3 2.3 規(guī)格參數(shù)的選擇 3 2.4 設(shè)計(jì)路線與方案 4 2.4.1 機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)方案 4 2.4.2 設(shè)計(jì)步驟 4 2.4.3 研究方法和措施 4 3機(jī)械手各部分的計(jì)算與分析 5 3.1 手部計(jì)算與分析 5 3.1.1 滑槽杠桿式手部設(shè)計(jì)的基本要求 5 3.1.2 手部的計(jì)算和分析 5 3.2 腕部計(jì)算與分析 12 3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 12 3.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 13 3.2.3 腕部擺動(dòng)油缸設(shè)計(jì) 16 3.2.4 選鍵并校核強(qiáng)度 18 3.3 臂部計(jì)算與分析 18 3.

3、3.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 18 3.3.2 手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 20 3.4 機(jī)身計(jì)算與分析 28 4液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 29 4.1 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 29 4.2 液壓元件的選擇 29 4.2.1 液壓缸 29 4.2.2 液壓泵的選取要求及其具體選取 31 4.2.3 選擇液壓控制閥的原則 33 4.2.4 選擇液壓輔助元件的要求 33 5液壓元件的保養(yǎng)與維修 37 5.1 液壓元件的安裝 37 5.2 液壓系統(tǒng)的一般使用與維護(hù) 37 5.3 一般技術(shù)安全事項(xiàng) 37 6結(jié)論 39 參考文獻(xiàn) 40 致謝 41 附錄 42 I 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自

4、學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1緒論 工業(yè)機(jī)械手是人類創(chuàng)造的一種機(jī)器，更是人類創(chuàng)造的一項(xiàng)偉大奇跡，其研究、 開發(fā)和設(shè)計(jì)是從二十世紀(jì)中葉開始的。 世界工業(yè)機(jī)械手的數(shù)目雖然每年在遞增， 但市場(chǎng)是波浪式向前發(fā)展的。在新 世紀(jì)的曙光下人們追求更舒適的工作條件，惡劣危險(xiǎn)的勞動(dòng)環(huán)境都需要用機(jī)器人 代替人工。隨著機(jī)器人應(yīng)用的深化和滲透，工業(yè)機(jī)械手在各行各業(yè)中還在不斷開 辟著新用途。機(jī)械手的發(fā)展也已經(jīng)由最初的液壓，氣壓控制開始向人工智能化轉(zhuǎn) 變，并且隨著電子技術(shù)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，這項(xiàng)技術(shù)將日益完善。 上料機(jī)械手與卸料機(jī)械手相比，其中上料機(jī)械手中的移動(dòng)式搬運(yùn)上料機(jī)械手 適用于各種棒料，工件的自動(dòng)搬運(yùn)

5、及上下料工作。例如鋁型材擠壓成型鋁棒料的 搬運(yùn)及高溫材料的自動(dòng)上料作業(yè)，最大抓取棒料直徑達(dá) 180mm最大抓握重量可 達(dá)30^斤，最大行走距離為1200mm根據(jù)作業(yè)要求及載荷情況，機(jī)械手各關(guān)節(jié)運(yùn) 動(dòng)速度可調(diào)。移動(dòng)式搬運(yùn)上料機(jī)械手主要由手爪，小臂，大臂，手臂回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)， 小車行走機(jī)構(gòu)，液壓泵站電器控制系統(tǒng)組成，同時(shí)具有高溫棒料啟動(dòng)疏料裝置及 用于安全防護(hù)用的光電保護(hù)系統(tǒng)。整個(gè)機(jī)械手及液壓系統(tǒng)均集中設(shè)置在行走小車 上，結(jié)構(gòu)緊湊。電氣控制系統(tǒng)采用 OMRON編程控制器，各種作業(yè)的實(shí)現(xiàn)可以通 過編程實(shí)現(xiàn)。 機(jī)械手涉及到力學(xué)、機(jī)械學(xué)、電氣液壓技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、 傳感器技術(shù)和 計(jì)算機(jī)技術(shù)等科學(xué)領(lǐng)域，是

6、一門跨學(xué)科綜合技術(shù)。它是一種能自動(dòng)控制并可以從 新編程以變動(dòng)的多功能機(jī)器，它有多個(gè)自由度，可以搬運(yùn)物體以完成在不同環(huán)境 中的工作。 1 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 2工業(yè)機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案 2.1 工業(yè)機(jī)械手的組成 工業(yè)機(jī)械手是由執(zhí)行機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制部分所組成，各部分關(guān)系如下框 圖： 圖2-1 工業(yè)機(jī)械手各部分關(guān)系圖 執(zhí)行機(jī)構(gòu)： 執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括抓取部分(手部)、腕部、臂部和行走機(jī)構(gòu)等運(yùn)動(dòng)部件所組成。 (1)手部：直接與工件接觸的部分，一般是回轉(zhuǎn)型或平移型。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)形 式多樣，常用的有：滑槽杠桿式、連桿杠桿式、彈簧式等。 (2)腕部：是聯(lián)接手部和手

7、臂的部件，并可用來(lái)調(diào)整被抓取物體的方位。 (3)臂部：手臂是支撐被抓物體，手部，腕部的重要部件。手臂的作用是 帶動(dòng)手指去抓取物件，并按預(yù)定要求將其搬運(yùn)到給定位置。 該設(shè)計(jì)的手臂有三個(gè)自由度，采用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)(繞橫軸旋轉(zhuǎn)，上下擺動(dòng)和左 右擺動(dòng))關(guān)節(jié)坐標(biāo)式具有較大的工作空間和操作靈活性，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)性容易進(jìn) 行優(yōu)化，便于提高機(jī)械手的動(dòng)態(tài)操作性能。 (4)行走機(jī)構(gòu)：有的工業(yè)機(jī)械手帶有行走機(jī)構(gòu)。 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)：有氣動(dòng)，液動(dòng)，電動(dòng)和機(jī)械式四種形式。 控制系統(tǒng)：有點(diǎn)位控制和連續(xù)控制兩種方式。 機(jī)身：它是整個(gè)工業(yè)機(jī)械手的基礎(chǔ)。 機(jī)械手功能： (1)它能部分的代替人工操作； (2)它能按照生產(chǎn)工藝

8、的要求遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的 傳送和裝卸； (3)它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配。 2.2 上下料機(jī)械手的工作原理 上下料機(jī)械手是一種專用的工業(yè)機(jī)械手， 其執(zhí)行程序一般是固化好的，或只 能進(jìn)行簡(jiǎn)單編程，所以機(jī)械手的動(dòng)作是固定的，一種機(jī)械手只能供送一種或有限 的幾種物品，程序控制系統(tǒng)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。 供送料機(jī)械手可看做是一種無(wú)料槽、滑道的供送料機(jī)構(gòu)，它在一個(gè)位置(料 槽)抓取物品(工件)，然后將其搬運(yùn)到另一個(gè)位置。其基本動(dòng)作是：上料時(shí)， 先由料槽中取出工件，帶著工件到指定工位，將其放在工位上，返回； 卸料時(shí)則 從工位上取下工件，帶走，放到料箱中。上料時(shí)一般有位置及方位要求

9、，而卸料 時(shí)一般無(wú)嚴(yán)格要求，所以上料是關(guān)鍵。 要完成上述動(dòng)作，上下料機(jī)械手的手爪必須到達(dá)兩點(diǎn) (取料點(diǎn)一料槽；放料 點(diǎn)一加工工位)，這可通過機(jī)械手的手臂來(lái)實(shí)現(xiàn)。手爪必須做兩個(gè)動(dòng)作(抓取料 和放下料)，這可通過機(jī)械手的手爪閉合、 張開來(lái)實(shí)現(xiàn)。方位要求一般通過機(jī)械 手的手腕來(lái)滿足供送料要求的運(yùn)動(dòng)， 軌跡應(yīng)該是：直線下降一直線升起一平面圓 弧擺動(dòng)一直線下降。 2.3 規(guī)格參數(shù)的選擇 工業(yè)機(jī)械手的規(guī)格參數(shù)是說(shuō)明機(jī)械手規(guī)格和性能的具體指標(biāo)， 一般包括以下 幾個(gè)方面： (1)抓重(又稱臂力)：額定抓取重量或稱額定負(fù)荷，單位為公斤，本次 設(shè)計(jì)要求抓重為25kg。 (2)自由度數(shù)目：本次設(shè)計(jì)整機(jī)四

10、個(gè)自由度，手臂三個(gè)自由度，手腕兩個(gè) 自由度。 (3)定位方式：有固定機(jī)械擋塊，可調(diào)機(jī)械擋塊，行程開關(guān)，電位器及其 他各種位置設(shè)定和檢測(cè)裝置，本次設(shè)計(jì)選固定機(jī)械擋塊定位。 (4)驅(qū)動(dòng)方式：有氣動(dòng)，液動(dòng)，電動(dòng)和機(jī)械式四種形式，本次設(shè)計(jì)選擇液 壓驅(qū)動(dòng)。 (5)手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)：臂部上仰60度、下俯30度、回轉(zhuǎn)220度。 (6)手腕運(yùn)動(dòng)參數(shù)：腕部回轉(zhuǎn)順逆各180度。 (7)手指夾持范圍和握力：工件直徑d<100mm (8)定位精度：位置設(shè)定精度和重復(fù)定位精度。 (9)輪廓尺寸：長(zhǎng)X寬X高(毫米)為 445.75 X223.15 X459.5mm 2.4 設(shè)計(jì)路線與方案 2.4.1 機(jī)械手

11、的總體設(shè)計(jì)方案 本課題是自動(dòng)上下料機(jī)械手的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成機(jī)械手的結(jié)構(gòu)方 面設(shè)計(jì)，以及液壓系統(tǒng)方面的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。在本章中對(duì)機(jī)械手的坐標(biāo)形式、自由度、 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等進(jìn)行了確定。因此機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是本次設(shè)計(jì)的主要任 務(wù)。 2.4.2 設(shè)計(jì)步驟 (1)查閱相關(guān)資料； (2)確定研究技術(shù)路線與方案構(gòu)思； (3)結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析； (4)根據(jù)所給技術(shù)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算； (5)按所給規(guī)格，范圍，性能進(jìn)行分析，強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)學(xué)校核； (6)繪制工作裝配圖草圖； (7)繪制總圖及零件圖等； (8)總結(jié)問題進(jìn)行分析和解決。 2.4.3研究方法和措施 使用現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)方法和液壓傳

12、動(dòng)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)， 采用關(guān)節(jié)式坐標(biāo)(四個(gè)自 由度，可以繞橫，縱軸轉(zhuǎn)動(dòng)和上下左右擺動(dòng))。 液壓驅(qū)動(dòng)即是以油液的壓力來(lái)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。抓重能力大，結(jié)構(gòu)小巧輕便， 傳動(dòng)平穩(wěn)，動(dòng)作靈便，可無(wú)級(jí)調(diào)速，進(jìn)行連續(xù)軌跡控制，易于實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動(dòng)。但 因油的泄露對(duì)工作性能影響較大，故它對(duì)密封裝置要求嚴(yán)格，且不宜在高溫或低 溫下工作。 3機(jī)械手各部分的計(jì)算與分析 3.1 手部計(jì)算與分析 手部按其夾持工件的原理，大致可分為夾持和吸附兩大類。夾持類最常見的 主要有夾鉗式，本設(shè)計(jì)主要考慮夾鉗式手部設(shè)計(jì)。 夾鉗式手部是由手指，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置三部分組成，它對(duì)抓取各種形狀 的工件具有較大的適應(yīng)性，可以抓取軸， 盤，套

13、類零件，一般情況下多采用兩個(gè) 手指。手部示意圖如下： 圖3-1手部示意圖 3.1.1滑槽杠桿式手部設(shè)計(jì)的基本要求 (1)應(yīng)具有適當(dāng)?shù)膴A緊力和驅(qū)動(dòng)力。 (2)手指應(yīng)具有一定的開閉范圍。 (3)應(yīng)保證工件在手指內(nèi)的夾持精度。 (4)要求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，效率高。 (5)應(yīng)考慮通用性和特殊要求。 3.1.2手部的計(jì)算和分析 (1)手部受力分析 5 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 圖3-2 手部受力圖（1） 圖3-3 手部受力圖（2） （2）手指尺寸初步設(shè)定 由拉桿的力平衡條件： 2sin ：:1 、Fx =0

14、 Pi cos ：： 1= P2 cos ：： 2 P1 = P 由 M M(F)=0得 pI = NLab h = ccosf p = b*tgf * N 又由工件的平均半徑： Rcp =5^-^53 7. mm 初取 V手指白夾角 2 6=120, Lab =55 mm, 2c = 100mm, b = 53mm, Lcd =53mm,滑桿總長(zhǎng) h=170mm (3)夾緊力計(jì)算 又由于工件的直徑不影響其軸心的位置即定位誤差為零， 手指水平位置夾取 水平位置放置的工件。 由參考文獻(xiàn)［2］中表2-1查得： N= 0.5G=0.5 X 25=12.5kg (3—1)

15、 又因?yàn)椋? P = 2b N cos2 d (3—2) c 當(dāng)口取最小值時(shí)，則增力比較大，手指走到最小行程時(shí)則有 min , Xin =30 又因?yàn)椋? 2b.. 2 p理=一 N cos amin = 19.88kg (3—3) c PU 至 P理"" (3 — 4) 取安全系數(shù)k1 =1.5,工作情況系數(shù) k2= 1.5,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率n =0.9 19.88 M.5M.5 0.9 50kg 手指夾緊時(shí)：夾緊缸活塞移動(dòng)范圍 L=130mm其動(dòng)彳^時(shí)間t=1.5s (由機(jī)械 手的動(dòng)作節(jié)拍時(shí)間得之)，所以?shī)A緊活塞移動(dòng)得平均速度 v為: v = ? ="=

16、8.67 cm s t 1.5 運(yùn)動(dòng)部件得總重估算況10kg 夾緊力Nf驅(qū)動(dòng)力P的關(guān)系： 由于結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，在驅(qū)動(dòng)力 P的作用下，每一滑槽杠桿受力相等 圖3-4 夾緊力與驅(qū)動(dòng)力的關(guān)系圖 在不計(jì)摩擦力的情況下: P=P2=U %為夾緊狀態(tài)得傾斜角％=50夾緊工件半徑為50mm P P = P2=B =38.9kg 根據(jù)各力對(duì)回轉(zhuǎn)支點(diǎn)Oi的力矩平衡條件，同樣在不計(jì)摩擦力的情況下 八 PC Nb = PC 二 2cos :1 C為杠桿動(dòng)力臂，即驅(qū)動(dòng)銷對(duì)滑槽杠桿作用力 Pi對(duì)支點(diǎn)Oi的垂直距離 又因?yàn)閍=50mm a 50 _ C= = o

17、 = 77.8 : 78mm cos ： 1 cos50 Nb= Rc = pc 2cos ： 1 12.5 b 50 78 2 cos500  38.9 78 b = 243mm 12.5 當(dāng)夾緊半徑為25mmi工件時(shí)，8= 70s a 50 c = = =146.2 ： 147 mm cos: 1 cos 70 Nb= p1c = pc 2~~ 2cos -：:1 11 N a 二二? 2 一 p 2b cos -1 12.5 50 50 - 2 b cos2 50 b 243mm (4)動(dòng)作特性和傳動(dòng)特點(diǎn) 定

18、位到最大行程時(shí)，：=50 cos 二 max a Lmax Lmax = 80mm cos max 取 Lmax u 130mm 又因?yàn)閏os%x1, %x <60,滑槽杠桿手指最大開閉角為 rmax a max <1200 滑槽傾斜角的變化范圍可以為 -60 <3 <60 ,可見機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比將在下列范 圍內(nèi)變化: a . N 小 a 22bp b N 0.1 0.4 P 所以開始所初步取的a, b與口均符合要求。 (5)確定夾緊油缸外徑D ①驅(qū)動(dòng)桿行程與手指開閉范圍關(guān)系 四口2 —分別為手指夾緊工件范圍值時(shí)，滑槽相對(duì)于兩支

19、點(diǎn)連接的傾斜角 L = atg 二 1 一atg ：■ 2 : 78mm 考慮到機(jī)構(gòu)效率，傳力比N/P的公式應(yīng)力： N a 2 P 2b cos ：1 。=0.9 又因?yàn)镚=250N夾緊力 又500N,: 2 ：二60； 則 Ffs - f fw =0.2 250 -50N Ff. = f fw =0.1 250 = 25N 式中：Fw 一工作負(fù)載即為重物重力Fw =250No Ff 一導(dǎo)軌摩擦阻力負(fù)載，對(duì)于平導(dǎo)軌 Ff = f （G ? FG FRn一垂直于導(dǎo)軌的工作負(fù)載，F(xiàn)Rn =0 f一導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取靜摩擦系數(shù)為0.2,動(dòng)摩擦系數(shù)為0.1 股取& =0.0

20、1-0.5s , Av-&時(shí)間內(nèi)速度變化量: 巳嚏0^"擲 啟動(dòng)：F =Ffs Fa =54.23N 穩(wěn)態(tài)：F =Ffa ■ Fw =275N ②工作壓力P的確定，工作壓力根據(jù)負(fù)載大小及機(jī)器的類型來(lái)初步確定。參 閱參考文獻(xiàn)［5］中表37.5按載荷選擇工作壓力為1MPa。 ③計(jì)算液壓缸內(nèi)徑DW舌塞才f直徑d,由負(fù)載可知最大負(fù)載F為275N 根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊(cè)表2 —2取F2為0.5 MPa ,，m為0.95 , d/D為0.7。 又因?yàn)? D 4 F P Z : 0.0223m (3—6)  根據(jù)參考文獻(xiàn)［8］中表2 —4,將液壓缸內(nèi)徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)系列直徑 D=

21、25mnif塞 桿直徑按d/D = 0.7及參考文獻(xiàn)［8］中表2 —5活塞直徑系列取d=18mm 按工作要求夾緊力為一個(gè)夾緊缸提供， 考慮到夾緊力的穩(wěn)定性。夾緊缸的工 作壓力應(yīng)大于復(fù)位彈簧的彈力。 又因?yàn)檫M(jìn)油缸在有桿腔，則其有效工作面積: A = - D2 -d2 0.188cm2 PyD 2F1 ④液壓缸壁厚和外徑計(jì)算: (3—7) Py為最大工作壓力P的1.5倍，Py=L5MPa 材料為高強(qiáng)度鑄鐵，b ］ = 60 MPa 、_ 3.125mm D1 _ D 2? =25 2 4^33mm 液壓缸工作行程的確定，并參照參考文獻(xiàn)［8］中表2-6中的系列尺寸選取標(biāo)

22、準(zhǔn)值 S=100mm ⑤缸蓋厚度的確定 一般液壓缸為平底缸蓋，其有效厚度t按強(qiáng)度要求計(jì)算。 t 2 0.433D2 m (3—8) 丫 6 J t -0.27mm 現(xiàn)取t=20mm 活塞的寬度B一般取 B=(0.6-1.0)D=0.6D=15mm ⑥夾緊缸彈簧的確定 彈簧工作載荷F=50N,最大軸直徑Dmax = 18mm,最小筒直徑Dmin =25mm 彈簧剛度k f- = 0.769 N f mm 查參考文獻(xiàn)［5］中表30.2—8圓柱螺旋壓縮彈簧的尺寸及參數(shù)得： 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 材料直徑d=2.5mm,彈簧中徑D=25mmp*距

23、P=10.4mm單圈彈簧工作極限載荷 卜變形量為7.075mm單圈彈簧剛度k:24.5 Nmm 13 (3—9) G maxd 8PmaxC3 D =10 d C-直徑比，-彈簧材料的剪切彈性模量, 鋼材 G=8X105(%2), Pmax=100N 計(jì)算得Z=110mm,則活塞缸總長(zhǎng)L=120mm。 3.2 腕部計(jì)算與分析 3.2.1 腕部設(shè)計(jì)的基本要求 手腕部件置于手部和臂部之間，它的作用主要是在臂部運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步 改變或調(diào)整手部在空間的方位，以擴(kuò)大機(jī)械手的動(dòng)作范圍，適應(yīng)性更強(qiáng)。手腕具 有獨(dú)立的自由度，此設(shè)計(jì)手腕有繞好由轉(zhuǎn)動(dòng)和沿沖由左右擺動(dòng)

24、兩個(gè)自由度。手腕回 轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為回轉(zhuǎn)油缸，擺動(dòng)也采用回轉(zhuǎn)油缸。 他的結(jié)構(gòu)緊湊，靈活，自由度符 合設(shè)計(jì)要求，它要求嚴(yán)格密封才能保證穩(wěn)定的輸出轉(zhuǎn)矩。 (1)腕部處于臂部的前端，它連同手部的動(dòng)靜載荷均由臂部承受。腕部的 結(jié)構(gòu)、重量和動(dòng)力載荷直接影響著臂部的結(jié)構(gòu)、重量和運(yùn)動(dòng)性能。因此在腕部設(shè) 計(jì)時(shí)，必須力求結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。 (2)腕部作為機(jī)械手的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，又承擔(dān)聯(lián)接和支承作用，除了保證力和 運(yùn)動(dòng)的要求以及具有足夠的強(qiáng)度和剛度外還應(yīng)綜合考慮合理布局腕部和手部的 連接、腕部自由度的檢測(cè)和位置檢測(cè)、管線布置以及潤(rùn)滑、維修調(diào)整等問題。 (3)腕部設(shè)計(jì)應(yīng)充分估計(jì)環(huán)境對(duì)腕部的不良影響(如熱膨脹，壓力油的粘

25、 度和燃點(diǎn)，有關(guān)材料及電控電測(cè)元件的耐熱性等問題)。 腕部的結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，它可做與手臂垂直方向(例如YW方向)橫移，還 可以繞YW或Z軸回轉(zhuǎn)。 圖3-5手腕運(yùn)動(dòng)示意圖 3.2.2 腕部回轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算 腕部回轉(zhuǎn)時(shí)，需要克服以下幾種阻力： (1)腕部回轉(zhuǎn)支承處的摩擦力矩 M摩： 由靜力學(xué)平衡方程求得 乂摩=f (R1D1 +RD2 )X (kgf -m) (3—10) 式中：Di、D2一軸承直徑(m) Ri、R2一軸承處支反力(kgf-m) f一軸承的摩擦系數(shù)，對(duì)于滾動(dòng)軸承f=0.01-0.02 為簡(jiǎn)化計(jì)算取M摩=0.1M總阻力矩 G1 —工件重量(kgf)

26、 G2一手部重量(kgf) G3—手腕轉(zhuǎn)動(dòng)件重量(kgf) (2)克服由于G重心偏置所引起的力矩M偏： M 偏=33 (kgf) (3—11) 式中e一工件重心到手腕回轉(zhuǎn)軸線的垂直距離(n) (3)克服啟動(dòng)慣性，所需的力矩 M慣 切及啟動(dòng)所用的角速度 啟動(dòng)過程近似等加速運(yùn)動(dòng)，根據(jù)手腕回轉(zhuǎn)的角加速度 9起, 2 M慣=0.0175M(J +J工件 (3—12) 2 式中：J工件一工件對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kgf -m-s2 ) J一手腕回轉(zhuǎn)部分對(duì)手腕回轉(zhuǎn)軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kgf-m-s2) 6一手腕回轉(zhuǎn)過程的角加速(%) 中一啟動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度(度) 手腕回

27、轉(zhuǎn)所需要的驅(qū)動(dòng)力矩應(yīng)當(dāng)?shù)扔谏鲜鋈?xiàng)之和： M總=M偏+M摩+M慣 因?yàn)槭滞蠡剞D(zhuǎn)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(J+人件)不是很大，手腕起動(dòng)過程所產(chǎn)生的轉(zhuǎn) 動(dòng)力矩也不大，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，可以將計(jì)算M偏，M摩適當(dāng)放大，而省略掉M慣， 這時(shí) M總=1.1(M偏+M摩) ①設(shè)手指，手指驅(qū)動(dòng)油缸及回轉(zhuǎn)油缸轉(zhuǎn)動(dòng)件為一個(gè)等效圓柱體， L=50cm直 徑 D=10crm 貝Um=27.5kg。 ②摩擦阻力矩M摩=0.1 M總阻力矩 ③設(shè)起動(dòng)過程所轉(zhuǎn)過的角度 中起=20,等速轉(zhuǎn)動(dòng)角速度8=100% ■ .2 M偏=0.01754J +J工件》-- 2 1 O O 查型鋼表有： J =萬(wàn) mR2 = 0.03

28、4(kgf -m-s2 ) (3—13) 1 J工件=—m L2+3R2 =6.028 kgf -m-s2 (3—14) 12 代入 M慣=256 (Nl- m M偏=0 M摩=0.1 乂總阻力矩 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） M摩=0.1 M總阻力矩+265 265 M=—— 0.9 = 294.4 kg 15 (3—15) 確定轉(zhuǎn)軸的最小尺寸: 0.2 I. T Wt—抗扭剖面模量，WT =0.2d3,許=294.4父10/3[1] 0.2d 1 查得k ] =60MPa, d215mm,取轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm ④回轉(zhuǎn)油缸所

29、產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算 回轉(zhuǎn)油缸所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩必須大于總的阻力矩 M總，機(jī)械手的手腕回轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)所采用的單葉片回轉(zhuǎn)油缸，具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 3-6所示，它的回轉(zhuǎn)角小于360度。 定片2與缸體1周連，動(dòng)片3與輸出軸4周連，當(dāng)a,b □分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)輸 出軸回轉(zhuǎn)達(dá)到手腕回轉(zhuǎn)目的。 a 圖3-6葉片式擺動(dòng)缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 . ,_ 2 2、 (3—16) M= p b （R -r ） 之 M ??? Jd、 2 式中：M總一手腕回轉(zhuǎn)總的阻力矩（NJ- n） P一回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力 r一缸體內(nèi)徑半徑（cm） R—輸出軸半徑（cm） b一動(dòng)片寬度 注：可按外形要求或

30、安裝空間大小，先設(shè)定 b,R, r中兩個(gè): -2b->2,取-2b-=3 D-d D-d D=1.5-2.5,取 ~D=2 又因?yàn)?d=40mm,貝U D=80mm, b=60mm 去頂回轉(zhuǎn)油缸工作壓力： 2M巧 心、 ZT2 2- b(R -r ) 2 294.4 ~~ "2 2" 6 (8 -4 ) , 2 、 =8.01(kg / cm ) (3—17) 圖3-4 腕部擺動(dòng)油缸設(shè)計(jì)尺寸圖 由于系統(tǒng)工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此壓力，因此回轉(zhuǎn)油缸的工作壓力足以克服摩擦 力。 3.2.3 腕部擺動(dòng)油缸設(shè)計(jì) M =M摩十M偏+M慣 估計(jì) L=45c

31、m,6=16cm,e2 =45cm, R =5cm , m桿=29.7kg e = (m桿父 e + m件 m ◎) / m桿 + m件=30cm 克服重心偏置所需的力矩 M偏=Ge = 16.41（kgf m） 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 克服摩擦所需力矩M摩=0.1cm 克服運(yùn)動(dòng)慣性所需的力矩M慣: 2 2 2 _ _ _ 2 Jff =m(L 3R)/12 me = 0.7654(kg-m- s2) J件=m02 =25父 0.452 =5.1(kg-m- s2) J總=5.8654(kg-m- s2) M 慣=JW/t

32、設(shè) w=500 / s,。起=20 2 一 M 慣=0.0175 J總 w / ⑵起=12.83(kgf - m) 則擺動(dòng)所需的驅(qū)動(dòng)力矩: M=M摩+M 偏 +M 慣=32.14(kgf ? m) 確定轉(zhuǎn)軸的最小直徑: TtM 驅(qū)/WT <[T] (3—18) 抗拒剖面摸量WT -- 3 3 =d (mm ) 16 所需驅(qū)動(dòng)力矩: d工3 16M 驅(qū)“ 30mm 二[]T 取 d=50mm 所以機(jī)械手的擺動(dòng)采用單葉片回轉(zhuǎn)油缸，定片與缸體固連，動(dòng)片與轉(zhuǎn)軸周連, 當(dāng)兩油口分別進(jìn)出油時(shí)，動(dòng)片帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到腕部擺動(dòng)目的。 M = Pb(R2-r”M - ―

33、心 2 又因?yàn)? D=1.5-2.5, -2b- -2 d D-d D=2,且=3 d D -d 所以：d=50mm,所以 D=100mm, b=75mm 確定回轉(zhuǎn)油缸工作壓力: 2M總 b(R2 -r2) 2 =10.58 kg / cm 由于系統(tǒng)工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于此壓力，因此該缸的工作壓力足以克

34、服摩擦力 3.2.4 選鍵并校核強(qiáng)度 轉(zhuǎn)軸直徑d=40mm由參考文獻(xiàn)[5]中GB1095-79選鍵為bxh=12x8 鍵校核如下公式： 3 6P =2丁父 10 /kld <[6p] (3—19) K一接觸面的高度 k=0.4h=0.4 8=3.2mm 、p=32.24mpa0[p] 轉(zhuǎn)軸直徑d=50mm由參考文獻(xiàn)[5]中GB1095-79選鍵為bx h=20x 10 k=0.4h=0.4 W=4mm p=13.208mpa<[p] 取接方式：靜連接，輕微沖擊，查得[6p]=100Pa 所以滿足要求 3.3臂部計(jì)算與分析 3.3.1 臂部設(shè)計(jì)的基本要求 手臂部件

35、是機(jī)械手的主要執(zhí)行部件。它的作用是支承腕部和手部(包括工 作)，并帶動(dòng)它們作空間轉(zhuǎn)動(dòng)。 臂部運(yùn)動(dòng)的目的：把手部送到空間范圍內(nèi)的任意一點(diǎn)。 因此，臂部具有三個(gè) 自由度才能滿足基本要求：即手臂繞橫軸旋轉(zhuǎn)，左右回轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)。手臂的各 種運(yùn)動(dòng)由油缸驅(qū)動(dòng)和各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)， 從背部的受力情況分析，它在工作中 既直接承受腕部，手部和工件的靜動(dòng)載荷，而且自身運(yùn)動(dòng)又較多，故受力復(fù)雜。 因而，它的結(jié)構(gòu)，工作范圍，靈活性以及抓重大小和定位精度等都直接影響機(jī)械 手的工作性能。 機(jī)身是固定的，它直接承受和傳動(dòng)手臂的部件，實(shí)現(xiàn)臂部的回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。臂 部要實(shí)現(xiàn)所要求的運(yùn)動(dòng)，需滿足下列各項(xiàng)基本要求： (1)機(jī)械手臂

36、式機(jī)身的承載 機(jī)械手臂式機(jī)身的承載能力，取決于其剛度，結(jié)構(gòu)上采用水平懸伸梁形式。 顯然，伸縮臂桿的懸伸長(zhǎng)度愈大，則剛度逾差，而且其剛度隨支臂桿的伸縮不斷 變化，對(duì)于機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)性能，位置精度和負(fù)荷能力等影響很大。為可提高剛度， 盡量縮短臂桿的懸伸長(zhǎng)度，還應(yīng)注意： ①根據(jù)受力情況，合理選擇截面形狀和輪廓尺寸 臂部和機(jī)身既受彎曲（而且不僅是一個(gè)方向的彎曲） 也受扭轉(zhuǎn)，應(yīng)選用抗彎 和抗扭剛度較高的截面形狀。所以機(jī)械手常用工字鋼或槽鋼作為支撐板，這樣既 提高了手臂的剛度，又大大減輕了手臂的自重，而且空心的內(nèi)部還可以布置驅(qū)動(dòng) 裝置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及管道，有利于結(jié)構(gòu)的緊湊，外形整齊。 ②高支承剛度和選

37、擇支承間的距離 臂部和機(jī)身的變形量不僅與本身剛度有關(guān)，而且同支撐的剛度和支撐件間距 離有很大關(guān)系，要提高剛度，除從支座的結(jié)構(gòu)形狀，底板的剛度以及支座與底版 的連接剛度等方面考慮外，特別注意提高配合面間的接觸剛度。 ③合理布置作用力的位置和方向 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)結(jié)合具體受力情況，設(shè)法使各作用力的變形相互抵消。 a）設(shè)計(jì)臂部時(shí)，元件越多，間隙越大，剛性就越低，因此應(yīng)盡可能使結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，要全面分析各尺寸鏈，在要求高的部位合理，確定調(diào)整補(bǔ)償環(huán)節(jié)，以及減 少重要不見的間隙，從而提高剛度。 b）水平放置的手臂，要增加導(dǎo)向桿的剛度，同時(shí)提高其配合精度和相對(duì)位 置精度，使導(dǎo)向桿承受部分或者大部分自重

38、。 c）提高活塞和剛體內(nèi)徑配合精度，以提高手臂俯仰的剛度。 （2）臂部運(yùn)動(dòng)速度要高，慣性要小 機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)速度是機(jī)械手主要參數(shù)之一， 它反映機(jī)械手的生產(chǎn)水平，一 般是根據(jù)生產(chǎn)節(jié)拍的要求來(lái)決定。在一般情況，手臂回轉(zhuǎn)俯仰均要求均速運(yùn)動(dòng)， （v和w為常數(shù)），但在手臂的啟動(dòng)和終止瞬間，運(yùn)動(dòng)是變化的，為了減少?zèng)_擊， 要求啟動(dòng)時(shí)間的加速度和終止前的加速度不能太大，否則引起沖擊和振動(dòng)。 對(duì)于告訴運(yùn)動(dòng)的機(jī)械手，其最大移動(dòng)速度設(shè)計(jì)在 1000?1500mm/最大回 轉(zhuǎn)角速度設(shè)計(jì)在180o/s內(nèi)，在大部分行程距離上平均移動(dòng)速度為 1000mm/s內(nèi)， 平均回轉(zhuǎn)角速度為90o/s內(nèi)。 西南科技大學(xué)

39、應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 為減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的措施： ①減少手臂運(yùn)動(dòng)件的重量，采用鋁合金等輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。 ②減少手臂運(yùn)動(dòng)件的尺寸輪廓。 ③減少回轉(zhuǎn)半徑，在安排機(jī)械手動(dòng)作順序時(shí)，先縮后回轉(zhuǎn)（或先回轉(zhuǎn)后伸）， 盡可能在前伸位置下進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作，并且驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)有緩沖裝置。 （3）手臂動(dòng)作應(yīng)靈活 為減少手臂運(yùn)動(dòng)件之間的摩擦阻力，盡可能用滑動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦。 對(duì)于懸臂式的機(jī)械手，其傳動(dòng)件，導(dǎo)向件和定位件布置應(yīng)合理，使手臂運(yùn)動(dòng) 過程盡可能平衡，以減少對(duì)升降支撐軸線的偏心力矩，特別要防止發(fā)生“卡死” 的現(xiàn)象（自鎖現(xiàn)象）。為此，必須計(jì)算使之滿足不自鎖的條件。 ①計(jì)算零件重量，可分解為

40、規(guī)則的體形進(jìn)行計(jì)算。 ②計(jì)算零件重心位置，求出重心至回轉(zhuǎn)軸線的距離。 ③求重心位置并計(jì)算偏重力臂 P : (3—20) (3—21) (3—22) n G總=G2 +G爪+G腕+G臂十一十 1 n G1X1 iT n 二 Gi i工 i」 _2 _2 _2 _2 p_G2 +G爪+G腕+G臂+… ‘一 G2 G爪 G腕. G臂 ④計(jì)算偏重力矩: n M 偏=G^、P=Z G1X1 i= （4）位置精度要高 一般說(shuō)來(lái)，直角和圓柱坐標(biāo)式機(jī)械手位置精度較高； 關(guān)節(jié)式機(jī)械手的位置最 難控制，精度差；在手冊(cè)上加設(shè)定位裝置和自檢測(cè)機(jī)構(gòu)，能較好的控制位置精度， 檢測(cè)

41、裝置最好裝在最后的運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)以減少或消除傳動(dòng)，嚙合件的間隙。 便于加工和安裝；用于熱加工的機(jī)械手, 大的機(jī)械手，還要設(shè)置防塵裝置等。 3.3.2手臂的設(shè)計(jì)計(jì)算 除此之外，要求機(jī)械手通用性要好，能適合做各種作業(yè)的要求；工藝性要好, 還要考慮隔熱，冷卻；用于作業(yè)區(qū)粉塵 通常先進(jìn)行粗略的估算，根據(jù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)初步確定有關(guān)機(jī)構(gòu)的主要尺寸， 在進(jìn) 行校核計(jì)算，修正設(shè)計(jì)。 為了便于進(jìn)行液壓機(jī)械手的設(shè)計(jì)計(jì)算，分別對(duì)俯仰缸回轉(zhuǎn)油缸的設(shè)計(jì)敘述如 下： （1）小臂設(shè)計(jì) 設(shè)小臂 L=40cm,D=60cm 則 m= -： R2lp = ： 0.052 0.4 7 103 = 22kg 2 2 3

42、m回=二 R lp - "： 0.05 0.1 7 10 =0.79kg 則手臂總重： m總=22 29.7 0.79 = 52.49kg ①俯仰缸的設(shè)計(jì)計(jì)算： 設(shè)a=76mm, b = 76mm, c=176mm 當(dāng)手臂處在仰角為 身的位置OA1時(shí)，驅(qū)動(dòng)力P通過連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力矩 為： M 驅(qū)=Pb cos（% + P1） 因?yàn)椋?tg：1二3D=型 O1D O1D 又因?yàn)椋篈1D ^B1C -B1O - a =76cos600 -76 = 15 cos600 一5 =-11mm O1D =C A1B =76 =76sin60 =41mm + 2.5 o tgo（尸

43、——,6=15 43 M 驅(qū)=Pbcos（ot1 + P1） 二 d 2 P= -D-P-P封-啥 （3—23） 4 P一油缸的工作壓力（kg/cm2） D一油缸內(nèi)徑（cm） 山一活塞缸與缸徑，活塞桿與端差的密封裝置處的摩擦阻力（ kg） 黨一通油箱，嗑=0 23 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Pa 10590.3kg取 P =10600kg M 驅(qū)=10600m0.8父 cos(3.3+60)=60356.601kg cm 當(dāng)手臂處在俯角為 隹的位置OA2時(shí)，驅(qū)動(dòng)力P通過連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力 M 驅(qū)=Pb cos(二 2 - %) 因?yàn)?

44、 , A,E A2E tg ： 2 =— — O2E O1C - EC A2E = B2c =OB2 -OC =bcos 一：2 -二=2.9, O1C =c, EC = A2B2 =bsin % 所以: ,」bcos ：2 ,I a2 = tg :- = 15 c -bsin 2 M 驅(qū)=Pbcos(15o -30) =95050.76kg/cm 當(dāng)手臂處在水平位置即P=OA為驅(qū)動(dòng)力矩時(shí) M 驅(qū)=Pbcos(15o -30) =95050.76kgzcm 因?yàn)镸驅(qū)=M慣土 M偏+ M摩，由于手臂與支柱連軸有振動(dòng)軸承，摩擦力矩較小 M摩=0,所以M驅(qū)=M慣HM偏

45、驗(yàn)證油缸是否滿足要求，滿足上仰條件，出于 P1時(shí) M驅(qū) p - 1 bcos -1 -：-:、 b cos(tg 「+ -1) c bsin ：1 60.356 0.15 cos(tg 60o) 二 0.15 cos60o -0.05 0.3 0.15 sin60o =1134kgf 4p d2二 p \ 二 P 選取d =0.7,所以p =1MPa D 4 1134 0.49D2 二 106 \ 二 106 _ 2 0.51D 4 1134 /〉106 D=0.053m 整理得到D=63mm,則d=45mm。 ②液壓缸壁和外徑計(jì)算 (3

46、—24) pyD 2n 1.5 63 2 60 =5mm 27 Py =1.5P =1.5MPa 材料為高強(qiáng)度鑄鐵，［］=60Pa Di _ D 26 =63 2 5=73mm 液壓缸為平底缸差，其厚度t按強(qiáng)度要求計(jì)算 無(wú)孔時(shí): t - 0.433D2 _ 0.433 63 =1.67mm (3—25) 取 t=3mm ③液壓缸工作行程的確定 由 AB +A2B2 =5得 S=16mm 由參考文獻(xiàn)［8］中表2-6的系列尺寸查得：S=25cm則活塞桿L=30cm 活塞桿的穩(wěn)定性校核，活塞桿由45鋼制成。桿長(zhǎng)300mm, d=45mm,最大壓

47、力 P=1134N,設(shè)穩(wěn)定安全系數(shù)為 Snst =8 —9 , 6s =350MPa , 6p = 280MPa , E =210GPa。 將上面參數(shù)帶入式中求得： 、 fn2E 卜2 父210M109 *?京 Y 28M106 :86 活塞桿兩端可簡(jiǎn)化為較支座，故 N =1 ,活塞桿橫截面為圓形i=d,故為 4 內(nèi) 4 300 10- i 一 45 10^ = 26.7 因?yàn)榫拧醇埃什荒苡脷W拉公式計(jì)算，使用直線公式，由參考文獻(xiàn)［5］中表10.1 查得 a =461MPab =2.568MPa 可得: a-、s 461 106 -350 106 6—:

48、43.2 2.568 10 、w =a - b，=393MPa w a JI Pw = A：w = 一 4 3 2 - (45 10 ) = 625.04k N 而P=1134N,活塞桿的工作安全系數(shù)為n=-PCN P max = 551 > it,所以滿足要求。 (2)油缸端蓋的連接方式及強(qiáng)度計(jì)算 為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距ti,進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù)目。缸的 一端為缸體與缸蓋鑄造成一體，另一端缸體與缸蓋采用螺釘連接。 ①缸蓋螺釘?shù)挠?jì)算 為保證連接的緊密性，必須規(guī)定螺釘?shù)拈g距ti,進(jìn)而決定螺釘?shù)臄?shù)目，在這 種連接中，每個(gè)螺釘在危險(xiǎn)剖面上承受的拉

49、力 Q。為工作載荷Q和預(yù)進(jìn)力Q。之 和。 ,?s 二=0 、s 二 D2 (3—26) =367.95kgf 式中：P一驅(qū)動(dòng)力kgf P—工作壓力kgf/ cm2 Z一螺釘數(shù)目，取8 ■■一 飛一—索力kgf 6s=K6, K=1.5-1.8 (3—27) 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為: 6合=—-2~ =1690kgf / cm2 = 2 [5] 二4 二 di 4 di < 式中：Qi=1.36o—計(jì)算載荷（kgf） 、：。 2 [、,.]= 一一抗拉許用應(yīng)力（kgf /cm ） n n =1.2—2.5, di—螺紋內(nèi)徑（cm） K1Q0

50、二(d2 -D2) 表3-1常用螺釘材料的流動(dòng)極限 kgf /cm2 鋼號(hào) 10 A2 A3 35 45 40cr 6s 2100 2200 2400 3200 3600 6500-9000 (3—28) D 一油缸內(nèi)徑 4 1 - " 2 Z- ..4K1Q0+D 叫M d1 (cm) 二[、] r、 r _ 一 一一 _ 式中①=50+3s, 6s =KP =(1.5 —1.8)父 P 二 D2 P = p 4 K1 —考慮螺紋拉應(yīng)力和扭應(yīng)力合成作用系數(shù)取 K1=1.3 （3）大臂回轉(zhuǎn)缸的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)手臂回轉(zhuǎn)的力矩：

51、 M驅(qū)=M慣+M封+M回 M 封=M 封 1 +M 圭L =d0j2k-k2 1 2 M 圭t1 =一n LMP 2 D—輸出軸與缸差密封處的直徑（cm） 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) L一密封的有效長(zhǎng)度(cm) do— "O形密封圈的截面直徑(cm) k- "O形圈在裝配時(shí)壓縮率，對(duì)于回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)， k=0.03-0.35 N —摩擦系數(shù) P一回轉(zhuǎn)軸缸的工作壓力(kg/cm2) 選取==0.5 , b=10cm,p=80kg/ cm2,設(shè) b1二6mm 若 D=1.5—2.5，則取 D = 2,D=2d d d -2^->2 ,取-2b-=3,

52、 D-d D-d - 2 10 貝^ =3d,d =6.7cm * 7cm, D=14cm 2d -d 選用O型橡膠密封圈S58型，d0=4.7mm,則 l =0.47 .2 0.05-0.052 = 0.15cm 1 o . 1 M 封 1=5 二 d2l」=5 二 7 0.15 0.5 80 = 65.98kg cm M封側(cè)一動(dòng)片側(cè)面與缸蓋密封處的摩擦阻力距： _ D d 1 _2 2 . M 封側(cè)=F2 l1(D2-d2)p」 4 8 l1 =d1、2k -k2 =0.6 ,2 0.05-0.052 = 0.19cm 1c c 1 o o M 封側(cè)=—l1(

53、D2—d2)p 0.19 (142 —72) 80 0.5-139.65kg cm 8 8 M 封徑=532kg w- 、 M 慣=J0 （kg cm） t △w 一回轉(zhuǎn)缸動(dòng)片的角速度變化量，在啟動(dòng)過程中 &w=w （弧度/秒） △t 一啟動(dòng)過程時(shí)間 j。一手臂回轉(zhuǎn)部件，對(duì)回轉(zhuǎn)軸的輕功慣量（kg-cm-s2） 若手臂回轉(zhuǎn)零件的重心與回轉(zhuǎn)軸的距離為 中，則j0 = jc +G P2 g 33 j C 一回轉(zhuǎn)零件對(duì)重心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 . m工件,2 Jc 二 l Jc 12 25 2 =一 1.72 12 2 52.49 2 12 (12+3R02)

54、 2 12.13 2 2\ 0.12 (0.122 3 0.072) 2、 =6.314(kg cm s ) 2、 J 0=649.2 ( kg cm s ) 設(shè)角速度w =40/s,啟動(dòng)時(shí)間t = 0.1s M 慣=649.2父 ax 0.0175= 4544.5kg cm D 1 1 2.2、 M回=d bp回 pd P =-bp回(D-d) (3—29) 2 2 取 p回=0.2P=16 ( kg cm2) M回=1x10x16x(142 -72) = 11760kg cm M 驅(qū)=11760 4544.5 139.65 532 2 65.98 = 171

55、08.11kg cm 由內(nèi)徑公式: 8M驅(qū). j +d ,bp 8 17108.11 \ 10 80 0.25 D2 D = 15.11cm 基本滿足要求，則 D=16cm, d=8cm。 4Qj 二［二］ =0.65cm (取 d1 =8mmi (3—30) (4)缸蓋連接螺釘和動(dòng)片連接螺釘計(jì)算 螺釘?shù)膹?qiáng)度條件為： 1.3Qj - 仃=一J引叼或4之 二 d1 4 式中：d〔一螺釘?shù)膬?nèi)徑(cm) Qj —計(jì)算載荷(kgf) ［。］—螺釘材料作用拉應(yīng)力 3.4機(jī)身計(jì)算與分析 機(jī)身是直接支撐和傳動(dòng)手臂的部件。一般實(shí)現(xiàn)臂部的升降，回轉(zhuǎn)或俯仰等運(yùn) 動(dòng)的

56、驅(qū)動(dòng)裝置或傳動(dòng)件都安裝在機(jī)身上，或者直接構(gòu)成機(jī)體的軀干與底座相連。 因此，臂部的運(yùn)動(dòng)愈多，機(jī)身的結(jié)構(gòu)和受力情況就愈復(fù)雜。機(jī)身既可以是固定的， 也可以是行走的，即可以沿地面或架空軌道運(yùn)動(dòng)。 此次設(shè)計(jì)機(jī)身為地面軌道運(yùn)動(dòng) 式。它的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是步進(jìn)電機(jī)具型號(hào)為 Y132S—8功率2.2KW轉(zhuǎn)速710r/min, 再電動(dòng)機(jī)后接了一個(gè)圓錐圓柱齒輪減速器具輸出速度為 1.2m/s。在后是一個(gè)制動(dòng) 箱。其主要參數(shù)是由外部計(jì)算機(jī)調(diào)整和控制， 在很大程度上是由運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡運(yùn) 動(dòng)而去編制小車的運(yùn)行程序。由以上對(duì)機(jī)身的分析和前面的計(jì)算完成機(jī)身結(jié)構(gòu)圖 見附錄。 由以上對(duì)機(jī)械手各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分析與計(jì)算，完成機(jī)械手總裝配圖

57、見附錄。 4液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1 液壓系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的機(jī)械手是以PLC來(lái)控制整個(gè)液壓元件，通過控制液壓缸的電磁換 向閥而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。至于機(jī)械手在空間的運(yùn)動(dòng)和定位則由外部的 電腦操作系統(tǒng)完成，它主要先進(jìn)行機(jī)器手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析， 動(dòng)力學(xué)分析，軌跡規(guī)劃 和編程。從而由上述系統(tǒng)完成整個(gè)機(jī)械手在空間的行走，定位和重復(fù)定位等操作。 (1)換向回路的選擇 夾緊缸換向選用二位三通閥， 其他缸全部選用B型的三位四通電磁換向閥。 選用B型電磁閥便于微機(jī)控制，選中位為 。型是使定位準(zhǔn)確。 (2)調(diào)速方案的選擇 本系統(tǒng)是功率較小的，故選簡(jiǎn)單的進(jìn)油路節(jié)流閥調(diào)速。 (3)緩沖回

58、路的選擇 選用二位三通閥加入油路，便于微機(jī)控制，提高自動(dòng)化程度。 (4)系統(tǒng)的安全可靠性的選擇 為防止伸縮缸在仰起一定角度后的自由下滑， 都采用單向順序閥來(lái)平衡。為 保證夾緊缸夾持工件的可靠性選用液控單向閥保壓和鎖緊。 4.2 液壓元件的選擇 4.2.1 液壓缸 根據(jù)前面設(shè)計(jì)好的各種液壓缸的參數(shù)。 (1)活塞缸 已知參數(shù)(包括設(shè)計(jì)出的參數(shù))：Di，di，F(xiàn)i (t),Ui (t) i一表示第幾個(gè)缸的參數(shù)： 無(wú)桿腔進(jìn)油： 二 2 P(t)=Fi(t)/( Di2) (4—1) 4 2 Q(t)=Vi(t) -Di2 4 有桿腔進(jìn)油： 7：, 2 2 P(

59、t) =Fi(t)/[二①-di )] 4 T. 2 2 Qi(t) =M(t) ―。-di ) 4 Ni(t) =E(t) Vi(t) (2)擺動(dòng)缸 已知參數(shù)：Di，di ,M i(t), Wi(t), b , P(t)=Mi(t)*(Di2.di2)] _ _ 2 2 _ Qi(t) =[b(Di -di )/8] Wi(t) Ni(t)=Mi(t) Wi(t) 注意已知參數(shù)中Fi(t),Vi(t),Mi(t),Wi(t)在前面設(shè)計(jì)中不夠明確時(shí), 析。 ① 單作用彈簧復(fù)位的夾緊缸； Di =25mm, di=18mm F = l-NN Vi =8.67cm/s

60、 注意：ti為尚未夾持工件的時(shí)間。 ②手腕回轉(zhuǎn)缸 D2 =80mm, d2 =40mm, b2=60mm 1 7 f 1 294.4N>mltW M 2 = 1 265(刃 w2 =10。% ③手腕擺動(dòng)缸 「1、 321.4N >mt < / M 3 =」f 2、 W3 = 50o / s 、128% J ④手臂回轉(zhuǎn)缸 (4—2) (4—3) (4—4) (4—5) (4—6) 則要進(jìn)行分 D4 =160mm , d4 =80mm , b4=120mm o ， w4 = 40 /s 注意：忽略角加速度和角減速度的影響 ⑤手臂仰俯活塞缸： D

61、5 =63mm, d5 =45mm 1334N t ,0.05 F5 - "134N t .0.55 V=5cm/s (3)估算流量 ①夾緊缸：Q =8.67M2M3.01 = 20.5L/min 。 4 2 ,2、 ②手腕回轉(zhuǎn)缸： Q2 =———--)w =62.74L/min 400 ③手腕擺動(dòng)缸： Q3 =[b(D2 -d2)/8] w-58.4L/min ④手臂回轉(zhuǎn)缸： Q4 =[b(D2 -d2)/8] w=129.6L/min ⑤手臂仰俯活塞缸：Q5=V-一D2 =5 — 6.32 =1562l/min 4 4 4.2.2 液壓泵的選取要求及其具體選取 (

62、1)計(jì)算液壓泵的工作壓力 (4—7) 其流量與 泵的工作壓力是所有液壓缸中工作壓力最大者與管道壓力損失之和。即: Ps =Pmax P Z ap一管道和各類閥的全部壓力損失之和。 可先估計(jì)，一般取：z AP= (5-8)父105巳 (2)計(jì)算液壓泵的流量 Qp -Kqi max 式中：K一泄露折算系數(shù)，一般，K=1.1-1.5 (3)選擇液壓泵的規(guī)格 參照設(shè)計(jì)手冊(cè)或產(chǎn)品樣本，選取其額定壓力比 Ps高25%—60%, 上述計(jì)算一致的液壓泵。 (4)計(jì)算功率，選用電動(dòng)機(jī) 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) ①按工況圖，找出所有缸 N-t圖中最高功率點(diǎn)的N

63、max對(duì)應(yīng)的PS (計(jì)算值) 和泵額定流量的乘積，然后除以泵的總效率 “p p N電=p?Qp (4-8) p ②確定液壓泵的流量壓力和選擇泵的規(guī)格， 泵的工作壓力的確定?？紤]到正 常工作中進(jìn)油路有一定的壓力損失，所以，泵的工作壓力為： Pp = P+ AP p Pp—液壓泵的最高工作壓力； P一執(zhí)行元件的最高工作壓力 P AP 一進(jìn)油管路中的壓力損失，初算時(shí)，簡(jiǎn)單系統(tǒng)可取 0.2—0.5MPa, ZAP =0.5 MPa, Pp=4.5+0.5=5 MPa 上述計(jì)算所得的Pp是系統(tǒng)的靜態(tài)壓力，考慮到系統(tǒng)在各種工況的過渡，階段出 p 現(xiàn)的動(dòng)態(tài)壓力往往超過靜態(tài)壓力。另外

64、考慮到，一定的壓力儲(chǔ)備量并確保泵的壽 命，因此選泵的額定壓力 Pn應(yīng)滿足Pn (1.25-1.6) Pp Pn =1.25Pp =1.25 5 =6.25MPa ③泵流量的確定 液壓泵的最大流量應(yīng)為： qp = Ki(Z q)max (4—9) 式中：qp—液壓泵的最大流量 p ②q)max 一同時(shí)工作的各執(zhí)行元件所需流量之和的最大值。如果這時(shí)溢流 閥正進(jìn)行工作，尚需加溢流閥的最小溢流量 2?3L/min Ki一系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取Kl=1.1-1.3,現(xiàn)取Kl=1.2 qp -1.2 80=96L/min ④選擇液壓泵的規(guī)格。根據(jù)以上算得 Pp和qp,再查閱有關(guān)手冊(cè)，現(xiàn)

65、選用 YB-80BI雙聯(lián)葉片泵，該泵的基本參數(shù)為：每轉(zhuǎn)排量： 10-194mL/r;泵的額定壓力R =10.5 MPa ;電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nB = 1500r / min ;容積效率％ = 0.85 ;總效率”=0.7。 ⑤與液壓泵匹配的電動(dòng)機(jī)的選定。首先分別計(jì)算出不同工況時(shí)的功率， 取它 們之間的最大值作為選取電動(dòng)機(jī)規(guī)格的依據(jù)。 由于在速度較小時(shí)，泵輸出的流量 減小，泵的效率急劇下降，一般當(dāng)流量在 0.2-1L/min范圍內(nèi)時(shí)，可取0.03-0.14。 同時(shí)，應(yīng)注意到，為了使所選擇的電動(dòng)機(jī)在經(jīng)過泵的流量特性曲線最大功率點(diǎn)時(shí)， 不致停車，需進(jìn)行驗(yàn)算，即： Pn qp n 三2Pnq

66、p (4—10) 泵的工作壓力：P=245.25 N / cm2 NQ(H . H ) =k ( )=1.57kW yyc 式中：k—余量系數(shù)，取K=1.05 Q一泵出油量 H 一油頭 △H 一主管損失汕頭 y一泵的功率 yc一傳動(dòng)效率直接傳遞為1 選電機(jī)：Y100L1 -4,N =2.2kW,n =1430rpm 4.2.3 選擇液壓控制閥的原則 按控制閥的額定流量大于系統(tǒng)最高工作壓力和通過該閥的最大流量原則 4.2.4 選擇液壓輔助元件的要求 (1)濾油器 按泵的最大流量選取流量略大些的濾油器，濾油精度在為 100Nm網(wǎng)式或線 段式濾油器即可。 (2)油管和管接頭的通徑與閥一致來(lái)選取。 (3)油箱容積Q=50Qp 注意：Qp單位若為L(zhǎng)/min時(shí)，V的單位為(dm)3 35 西南科技大學(xué)應(yīng)用型自學(xué)考試畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Qp 單位若為m3/min時(shí)，V的單位為m3 ①液壓元件的選擇 單向壓力補(bǔ)償調(diào)速閥：QI-63B, QI-130B, QI-23B 單向閥：